С. М. Цирульник, Г. Л. Лисенко

Проектування мікропроцесорних систем

2

УДК 621.317

Ц 71

Автори:

Цирульник С. М., Лисенко Г. Л.

Рекомендовано до друку Вченою радою Вінницького

національного технічного університету Міністерства освіти і науки

України (протокол № 4 від 25.11.2010)

Рецензенти:

А. О. Мельник, доктор технічних наук, професор

В. П. Малахов, доктор технічних наук, професор

Л. М. Карпуков, доктор технічних наук, професор

Цирульник С. М. Проектування мікропроцесорних

систем: навчальний посібник/ С. М. Цирульник, Г. Л. Лисенко.

– Вінниця: ВНТУ, 2010. – 201 с.

У навчальному посібнику розглянуто особливості проектування,

програмування та моделювання роботи електричних схем з використанням

мікроконтролерів загального призначення виробництва Atmel, що

об'єднані під загальною маркою AVR. Посібник розроблено відповідно з

планом кафедри обчислювальної техніки і програмою дисципліни

"Проектування мікропроцесорних систем" для студентів старших курсів та

спеціалістів в галузі мікропроцесорної техніки.

УДК 621.317

С. Цирульник, Г. Лисенко, 2010

Ц71

3

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ ........................................................ 6

ПЕРЕДМОВА .............................................................................................. 7

ВСТУП ......................................................................................................... 9

РОЗДІЛ 1 ФУНКЦІОНАЛЬНІ ВУЗЛИ МІКРОПРОЦЕСОРНИХ

СИСТЕМ .................................................................................................... 11

1.1 Виконавчі пристрої мікропроцесорних систем................................ 11

1.2 Елементи індикації .............................................................................. 19

1.2.1 Пристрої індикації ................................................................. 19

1.2.2 Організація динамічної індикації ......................................... 21

1.3 Пристрої формування звукових сигналів ......................................... 26

1.4 Пристрої управління двигунами постійного струму ....................... 29

1.5 Пристрої комутації .............................................................................. 34

1.5.1 Аналогові ключі ..................................................................... 34

1.5.2 Типи аналогових ключів ....................................................... 34

1.5.3 Застосування аналогових ключів ......................................... 35

1.5.4 Аналогові мультиплексори ................................................... 36

1.6 Кнопки та датчики .............................................................................. 36

1.7 Оптичні датчики .................................................................................. 44

1.7.1 Щілинний оптрон ................................................................... 44

1.7.2 Відбиваючий оптрон ............................................................. 45

1.7.3 Швидкість спрацьовування оптронів .................................. 45

1.7.4 Коефіцієнт підсилення за струмом ...................................... 46

1.7.5 Особливості роботи в інфрачервоному діапазоні .............. 47

1.7.6 Дискретні оптичні датчики ................................................... 48

1.8 Цифро-аналогові перетворювачі ....................................................... 51

1.8.1 Загальні відомості .................................................................. 51

1.8.2 Інтерфейси цифро-аналогових перетворювачів ................. 53

1.9 Аналого-цифрові перетворювачі ....................................................... 56

1.9.1 Загальні відомості .................................................................. 56

1.9.2 Опис АЦП ............................................................................... 58

1.9.2.1 Опорна напруга ......................................................... 58

1.9.2.2 Вихідне слово ............................................................ 59

1.9.2.3 Роздільна здатність ................................................... 59

1.9.3 Типи АЦП ............................................................................... 60

1.9.3.1 Слідкуючий АЦП ...................................................... 60

4

1.9.3.2 Паралельний АЦП .................................................... 62

1.9.3.3 АЦП послідовного наближення .............................. 62

1.9.3.4 АЦП подвійного інтегрування ................................ 63

1.9.4 Інтерфейси АЦП .................................................................... 65

1.9.4.1 Кодування вихідного слова ..................................... 65

1.9.4.2 Паралельний інтерфейс ............................................ 65

1.9.4.3 Послідовний інтерфейс SPI ..................................... 67

1.9.4.4 Шина І2С .................................................................... 70

1.9.4.5 Шина 1-Wire .............................................................. 72

1.9.4.6 Спеціалізовані послідовні інтерфейси .................... 83

РОЗДІЛ 2 РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ

МІКРОКОНТРОЛЕРІВ ............................................................................. 84

2.1 Середовища розробки програмного забезпечення для

мікроконтролерів AVR ............................................................................. 84

2.1.1 Компілятори асемблера ......................................................... 84

2.1.2 Компілятори мови C .............................................................. 85

2.1.3 Компілятори Basic та Pascal .................................................. 87

2.2 Програмування мовою асемблера в середовищі AVR Studio ........ .88

2.2.1 Створення програм у AVR Studio 3.0 .................................. 88

2.2.2 Робота з графічним інтерфейсом користувача AVR

STUDIO 4 ......................................................................................... 91

2.3 Програмування мовою С у середовищі WinAVR ............................ 93

2.3.1 Створення файлу вихідного тексту програми ..................... 93

2.3.2 Створення makefile ................................................................ 94

2.3.3 Компіляція та лінковка .......................................................... 96

2.4 Програмування мікроконтролерів AVR у середовищі

MicroBasic та MicroPascal ......................................................................... 98

2.4.1 Редактор коду ........................................................................ 98

2.4.2 Відладчик (Debugger) ......................................................... 100

2.4.3 Вікно помилок (Error Window) .......................................... 103

2.4.4 Статистика ........................................................................... 103

2.4.5 Інтегровані інструменти .................................................... 104

2.4.6 Гарячі клавіші (Keyboard Sortcuts) .................................... 105

2.4.7 Проекти (Projects) ............................................................... 107

2.4.8 Основні файли (Source files) .............................................. 107

2.4.9 Компіляція (Compilation) ................................................... 107

2.5 Програмування мікроконтролерів AVR у середовищі

5

AVR Builder.............................................................................................. 107

2.5.1 Середовище розробки AVR Builder ................................... 107

2.5.2 Розробка програмного забезпечення за допомогою

AVR Builder. .................................................................................. 108

2.5.3 Приклад застосування AVR Builder ................................... 111

РОЗДІЛ 3 ОСОБЛИВОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ МІКРОПРОЦЕ-

СОРНИХ СИСТЕМ ................................................................................. 115

3.1 Технічне завдання на розробку двоканального

терморегулятора ...................................................................................... 115

3.2 Розробка структурної схеми і алгоритму функціонування

терморегулятора. Вибір типів датчиків і виконавчих пристроїв ....... 116

3.3 Вибір елементної бази і розробка схеми електричної

принципової терморегулятора ............................................................... 122

3.4 Розробка програмного забезпечення ............................................... 136

РОЗДІЛ 4 НАЛАГОДЖЕННЯ МІКРОПРОЦЕСОРНИХ СИСТЕМ

У СЕРЕДОВИЩІ PROTEUS .................................................................. 144

4.1 Моделювання мікроконтролерів MC68HC11 фірми Motorola ..... 162

4.2 Моделювання мікроконтролерів сімейства x51 ............................. 165

4.3 Моделювання мікроконтролерів сімейства PIC............................. 168

4.4 Моделювання мікроконтролерів сімейства AVR .......................... 171

ІНДИВІДУАЛЬНІ ЗАВДАННЯ НА КУРСОВЕ

ПРОЕКТУВАННЯ .................................................................................. 187

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ ......................................................................... 193

6

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ

АЦП – аналого-цифровий перетворювач

ЕРС – електро - рушильна сила

ІМС – інтегральна мікросхема

ІС – інтегральна схема

ІЧ – інфрачервоні

КПС – коефіцієнтом передачі за струмом

МБ – молодший байт вхідного слова

МДН – метал – діелектрик – напівпровідник

МК – мікроконтролер

МП – мікропроцесор

МПП – мікропроцесорний пристрій

МПС – мікропроцесорна система

ОЗП – оперативний запам’ятовуючий пристрій

ОП – операційний підсилювач

ПВЗ – пристрій вибірки-зберігання

ПЗ – програмне забезпечення

РЕП – радіоелектронний пристрій

СБ – старший байт вхідного слова

ТЗ – технічне завдання

ТТЛ – транзисторно-транзисторна логіка

ТХА – термопари хромель-алюмель

ТХК – термопари хромель-копель

ХА – хромель-алюмелеві

ХК – хромель-копелеві

ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач

ШІМ – широтно-імпульсна модуляція

AB – Adress Bus (шина адреси)

ADC – аналого-цифровий перетворювач

BP – Breakpoint (точка зупинки програми)

DB – Date Bus (шина даних)

EEPROM – електрично-стираємий програмований постійний

запам’ятовуючий пристрій

MC – мікроконтролер

MCU – мікропроцесор

PN – Programmers Notepad

7

ПЕРЕДМОВА

Із часів виходу на ринок першого мікропроцесора, що широко

застосовується в промисловості, 8080 компанії Intel розвиток

наступних поколінь пішло по двох головних напрямках. З однієї

сторони перебувають такі високопродуктивні процесори як Pentium

компанії Intel або сімейство процесорів 68000 компанії Motorola, які

знаходять застосування в персональних комп'ютерах, робочих

станціях і наукових обчислювальних установках, а також

реалізуються в архітектурі комп'ютерів зі складним набором команд

CISC (CISC - Complex Instruction Set Computer). З іншої сторони

швидко позначилася велика потреба в більше простих

мікроконтролерах, для яких компактність важливіше здатності

обробити величезний потік команд.

Компанія Intel ще в 1976 році вивела на ринок однокристальний

мікроконтролер 8048, у якого в одному кристалі інтегрований набір

команд 1 Кбайт (ROM), 64-байтне ОЗП (RAM), 27 портів

ведення/виведення, восьмирозрядний таймер, схема переривань, а

також кварцовий генератор.

Для високопродуктивних процесорів, на зразок Pentium (які,

втім, націлені на інший сегмент ринку), необхідно велике число таких

зовнішніх компонентів, як завантажувальне ПЗП (ROM), RAM як

робоча пам'ять, жорсткий диск як пристрій для зберігання програм,

таймер, схема переривань і т.д., які повинні бути розміщені в одному

корпусі. У випадку ж однокристального мікроконтролера для роботи

не потрібні ніякі інші елементи.

За ціною також намітилася істотна різниця. У той час як

процесори, на зразок Pentium, внаслідок складного пристрою й

дорогого процесу виготовлення, пропонуються за ціною в кілька

сотень доларів, вартість однокристального мікроконтролера перебуває

в межах від одного до 25 доларів.

Однокристальні мікроконтролери знаходять широке

застосування в найрізноманітніших сферах: від вимірювальних

приладів, фотоапаратів і відеокамер, принтерів, сканерів і

копіювальних апаратів до виробів електронних розваг і всілякої

домашньої техніки, у результаті чого вони одержали загальну назву

"процесор для пральних машин".

З огляду на велику область застосування й, відповідно, великі

обсяги продажів однокристальних мікроконтролерів, немає нічого

дивного в тому, що практично кожний виробник напівпровідників

пропонує на ринку свій власний "тип". Проте, у вісімдесяті роки на

ринок зміг просунутися восьмирозрядний процесор 8051 компанії

8

Intel з усіма його варіаціями. Навіть незважаючи на те, що згодом на

ринку з'явився конкуруючий 16-розрядний мікроконтролер, І8051 як і

раніше втримує за собою пальму першості, хоча останнім часом його

й потіснили восьмирозрядні RISC-контролери нового покоління (RISC

– Reduced Instruction Set Computer – комп'ютер зі скороченим набором

команд). До таких RISC-мікроконтролерів належить сімейство РІС

компанії Microchip, а також сімейство AVR компанії Atmel.

Можна заздалегідь відзначити, що компанія Atmel, завдяки

комбінації прогресивної архітектури RISC і програмованої Flash -

пам'яті EPROM розробила дуже ефективне рішення для всіх

можливих завдань внутріплатного керування й установила нові

масштаби в співвідношенні ціни й продуктивності.

Навчальний посібник призначений для студентів технічних

спеціальностей усіх форм навчання, інженерів і вчених, а також для

всіх, хто вже має певні основні пізнання про побудову й

функціонування мікроконтролерів, бажає зрозуміти й вивчити

однокристальні мікроконтролери AVR і успішно запровадити в життя

власні ідеї, щоб не відстати від "поїзда", що рухається в технологічне

майбутнє.

У першому розділі розглядаються схемотехнічіні аспекти

побудови пристроїв на мікроконтролерах.

Другий розділ присвячений огляду програмного забезпечення,

що дозволяє створювати програми для мікроконтролерів AVR на

мовах програмування: Asembler, Basic, Pascal, C.

У третьому розділі наводиться приклад проектування пристрою

для вимірювання і підтримки в заданому діапазоні температури в

нагрівальній камері промислової установки на мікроконтролері AVR.

У четвертому розділі показані особливості налагодження як

апаратної частини, так і програмного забезпечення

мікрокопроцесорних систем у програмі автоматизованого

схемотехнічного проектування Proteus.

9

ВСТУП

Мікроконтролер можна представити у вигляді непотрібного

шматка кремнію, що володіє проте величезним потенціалом. Поки в

ньому немає програми, він нічого не буде робити, однак при її

наявності він зможе виконувати практично будь-які функції. Досить

велика принципіальна схема може перетворитися у звичайну

програму, зменшивши в такий спосіб цілий пристрій до однієї єдиної

мікросхеми. Мікроконтролери ліквідують розрив між апаратним і

програмним забезпеченням – вони виконують програму як звичайний

комп'ютер, будучи в той же час дискретними елементами, які можуть

взаємодіяти з іншими компонентами схеми. За кілька років

мікроконтролери стали невід'ємною частиною інструментарію

радіоінженерів і величезного числа радіоаматорів, оскільки вони

чудово підходять для експериментування, дрібносерійного

виробництва й реалізації проектів, що вимагають певної гнучкості

виконуваних функцій.

Мікроконтролери AVR – це одни з самих швидкодіючих

мікроконтролерів у світі. На даний час співвідношення "ціна -

продуктивність - енергоспоживання" для AVR є одним із кращих на

світовому ринку 8-розрядних мікроконтролерів. Обсяги продаж AVR

у світі подвоюються щорічно. У геометричній прогресії росте число

сторонніх фірм, що розробляють і випускають різноманітні програмні

й апаратні засоби підтримки розробок для них.

Галузі застосування AVR мікроконтролерів багатогранні. Для

сімейства "tіny" - це інтелектуальні автомобільні датчики різного

призначення, іграшки, ігрові приставки, материнські плати

персональних комп'ютерів, контролери доступу в мобільних

телефонах, зарядні пристрої, детектори диму і полум'я, побутова

техніка, різноманітні інфрачервоні системи дистанційного керування.

Для сімейства "classіc" – це модеми різних типів, сучасні зарядні

пристрої, вироби класу Smart Cards і пристрою читання для них,

супутникові навігаційні системи для визначення місця розташування

автомобілів на трасі, складна побутова техніка, пульти дистанційного

керування, мережні карти, материнські плати комп'ютерів, стільникові

телефони нового покоління, а також різні і різноманітні промислові

системи контролю і керування. Для "mega" AVR – це аналогові (NMT,

ETACS, AMPS) і цифрові (GSM, CDMA) стільникові телефони,

принтери і ключові контролери для них, контролери апаратів

факсимільного зв'язку і ксероксів, контролери сучасних дискових

нагромаджувачів, DVD-ROM і т.д.

10

Етапи розробки програмного забезпечення мікроконтролерів

AVR наведені на рисунку В.1.

1. Чистий AVR нічого

не робить

2. Пишемо програму

на комп’ютері

3. Програмування

віртуального AVR в

комп’ютері

4. Перевіряємо програму

на комп’ютері

5. Програмування

реального AVR

6. Перевіряємо програму

в реальному пристрої

Рисунок В.1 – Етапи розробки програмного забезпечення

мікроконтролерів AVR

Серед мікроконтролерів AVR є величезна кількість різних

моделей, починаючи від невеликих пристроїв у 8-вивідних корпусах

(сімейство Tiny) і закінчуючи мікросхемами в 40-вивідних корпусах

(сімейство Mega)". Однак, саме головне полягає в тому, що можна

спокійно писати програму для однієї моделі, а потім передумати й

переробити цю програму під іншу модель мікроконтролера, внесши

всього лише незначні зміни. Більше того, вивчаючи один з

мікроконтролерів AVR, учимося працювати з усіма моделями

сімейства. Зрозуміло, кожний з мікроконтролерів має свої

особливості, однак в основі всіх моделей лежить загальне ядро.

Загалом кажучи, програмування мікроконтролерів AVR полягає

в різних маніпуляціях даними. Завдання програмування полягає в

тому, щоб змусити мікроконтролер виконувати поставлене завдання

шляхом простих переміщень чисел і здійснення операцій над ними.

Існує обмежений набір операцій, які можна виконувати над даними, –

ці операції називаються командами. Мікроконтролер буде послідовно

перебирати ці команди, виконуючи мільйони їх щосекунди і, таким

чином, виконувати поставлене завдання.

11

РОЗДІЛ1 ФУНКЦІОНАЛЬНІ ВУЗЛИ МІКРОПРОЦЕСОРНИХ

СИСТЕМ

1.1 Виконавчі пристрої мікропроцесорних систем

Практично жодна мікропроцесорна система (МПС) не може

обійтися без таких елементів, як виконавчі пристрої. Головне

призначення будь-якої системи – це управління яким-небудь

зовнішнім механізмом. Це можуть бути електродвигуни, нагрівачі,

електромагнітні клапани і т.п. Тому, окрім датчиків, кнопок

управління і елементів індикації до мікроконтролера (МК) обов'язково

доведеться підключати і виконавчі пристрої. Для управління

зовнішніми пристроями використовуються ті ж самі порти

введення/виведення МК, які працюють на виведення. Сигнали з будь-

якої лінії будь-якого порту легко можуть бути використані для

включення і виключення зовнішнього пристрою. Необхідно лише

підсилити керуючий сигнал за потужністю до необхідного рівня. Для

цього застосовуються різні схеми узгодження. Вибір схеми залежить

від типу виконавчого пристрою.

У найпростішому випадку можна застосувати транзисторний

ключ (рисунок 1.1). При використанні транзистора КТ315Г можна

керувати зовнішніми колами із струмом споживання до 100 мА і

напругою UЖ до 15 В [5,6]. Транзистор допускає також високу

напругу, проте підвищення напруги можливе при зменшенні струму.

MC

Рисунок 1.1 – Найпростіший транзисторний ключ

Для керування ланками з великим струмом потрібно

застосувати потужніший транзистор або цілу транзисторну збірку.

При виборі транзистора не забувайте, що максимально допустимий

струм навантаження для будь-якого з виходів МК не повинен

перевищувати величини 20 мА [9, 10, 20, 24]. При складанні програми

потрібно не забувати, що будь-який транзисторний ключ інвертує

сигнал. Якщо на виході Р1.0 (рисунок 1.1) встановити високий рівень

12

«1», ключ відкривається і навантаження підключається до джерела

живлення. При нульовому рівні «0» на тому ж виході ключ

закривається і навантаження відключається.

Якщо виконавчий механізм, яким повинна керувати МПС,

живиться від мережі змінного струму 220 В, потрібно застосовувати

схему управління з гальванічною розв’язкою. Один з можливих

варіантів – релейна схема управління.

Типовий варіант схеми управління з використанням реле

наведений на рисунку 1.2. На схемі представлений електронний ключ,

в навантаження якого включено електромагнітне реле К1. МК за

допомогою ключа може вмикати і вимикати електромагнітне реле.

Контакти реле, в свою чергу, керують навантаженням. Така схема

забезпечує комутацію достатньо великої напруги і струму.

MC

VD1

VT1

КТ315Г

R1

5k1R2

1k

K1

+12B

K1.1

P1.0

Рисунок 1.2 – Виконавчий пристрій з використанням реле

Гальванічна розв'язка між всіма колами МПС і силовою

мережею 220 В забезпечує безпеку роботи з цією схемою. Діод VD1

призначений для захисту елементів схеми від напруги ЕРС

самоіндукції, що виникає в котушці реле К1 у момент закривання

ключа VT1. При виборі електромагнітного реле необхідно звертати

увагу на такі параметри. По-перше, напруга спрацьовування реле. Для

прикладу на рисунку 1.2 вона має бути рівна 12 В. По-друге,

максимально допустимий струм комутації і максимально допустима

напруга для виконавчих контактів реле. Вони повинні відповідати

реальним значенням струму і напруги в колі навантаження.

У випадку, якщо необхідно керувати великим числом реле, або

інших потужних навантажень, зручно застосовувати мікросхеми

ULN2003 або ULN2803 [1,12]. Ці мікросхеми містять відповідно, 7 і 8

транзисторних ключів на складених транзисторах (схема

Дарлінгтона). Вони дозволяють керувати навантаженням до 500 мА

при напрузі до 50 В. При цьому входи цих мікросхем можна

підключати безпосередньо до ліній портів введення/виведення МК.

13

Усередині мікросхем вже є вбудований захисний діод, який можна

підключати або відключати, здійснюючи зовнішні з'єднання. На

рисунку 1.3 наведений приклад схеми з використанням мікросхеми

ULN2003.

MC GR

X1

X2

Рисунок 1.3 – Використання мікросхеми ULN2003

Максимальний струм колектора 80 мА

R2 Залежить від типу реле і напруги живлення

На вході «1» - контакти реле замкнуті

На вході «0» - контакти реле розімкнуті

З’єднано

з ТТЛ/КМОН буфером

Vcc

VD1V1

Рисунок 1.4 – Застосування оптопари РC815 для керування реле

Оптопари можна використовувати для управління приладами з

малими значеннями струмів, що вимагають гальванічної розв'язки.

Максимальний робочий струм обмежений характеристиками

фототранзисторів. Наприклад, оптопари Дарлінгтона серії РC815

(Sharp, RS175-198) мають максимальне значення вихідного струму 80

мА, достатнє для управління слабкострумовим реле, яке, у свою

14

чергу, здатне працювати з потужнішими приладами (рисунок 1.4).

Оптопари Дарлінгтона серії PS2502 (NEC, RS590-424 і RS590-430)

підтримують струми до 160 мА [1].

Коефіцієнт передачі зазвичай досягає до 2000. Напруга, що

керує світлодіодом, дорівнює 1,1 В, максимальний робочий струм - 80

мА. Максимальна напруга між колектором і емітером

фототранзистора складає 40 В, а час насичення - 100 мкс.

Рисунок 1.5 – Пристрій управління на транзисторі Дарлінгтона

На рисунку 1.5 зображена схема на базі потужного транзистора

Дарлінгтона TIP122 або TIP142. TIP122 керує напругою до 100 В і

струмами до 5 А. Максимальна потужність розсіювання - 65 Вт.

Транзистори Дарлінгтона відкриваються при напрузі 1,2 В між базою і

колектором і можуть підсилювати струм у 5000 разів. Отже, напруга

на базі, що перевищує 1,2 В, викликає режим насичення транзистора.

База з'єднується з ТТЛ входом через резистор. TIP142 функціонує при

колекторному струмі 10 А. Максимальна робоча частота цих

транзисторів складає 5 МГц. Для індуктивного навантаження повинні

використовуватися захисні діоди.

На рисунку 1.6 зображена схема на базі польових МДН

транзисторів VN10KM або VN66AF [1]. Щоб МДН транзистор

відкрився, на нього необхідно подати пряму напругу зсуву близько 0,8

В. Прямий зсув близько 5 В істотно впливає на провідність. Оскільки

вхідний опір пристрою на польовому транзисторі дуже високий,

з'єднати його безпосередньо з вихідним портом МК неможливо.

Таким пристроєм слід керувати через резистор. VN10KM витримує

максимальну напругу 60 В і струм 310 мА, VN66AF працює при

максимальній напрузі 60 В і струмі 2 А. Час насичення - близько 15

нс.

15

Рисунок 1.6 – Пристрій управління на польовому транзисторі

Потужні пристрої управління на базі МДН транзисторів із

захистом, які інколи називають твердотільними реле, грають роль

перемикачів в силових колах цифрових систем управління. Вхідне

управління сумісне з логічними рівнями 5 В. У цих елементах

використовується вбудована схема термоконтролю, яка захищає їх від

перегріву, короткого замикання і перевантаження. Такі пристрої, як

правило, мають інформаційний вихід, який низьким рівнем інформує

про спрацювання вбудованих кіл захисту.

Транзистор BTS410 (рисунок 1.7) здатний керувати напругою в

діапазоні 4,9 - 40 В, поріг спрацьовування захисту від перенапруження

порядку 42 - 52 В. Максимальна робоча температура дорівнює 150 °С.

Залежно від температури рівень значень струму перевантаження

коливається в межах 3,1 - 21 А. Цей пристрій має низький опір в

увімкненому стані у всьому діапазоні температур. Час вмикання і

вимикання складає 60 і 50 мкс відповідно. Вхідна напруга вмикання

змінюється від 2 до 5 В, вимикання – від 0 до 0,8 В. Вхідний струм

рівний 25 мкА при вхідній напрузі 3,5 В.

Рисунок 1.7 – Пристрій управління на МДН транзисторі із захистом

16

Два інших приклади таких пристроїв - VN05N і VN20N, їх

виходи і типова схема застосування зображена на рисунку 1.7 [1, 12].

VN05N розрахований на вихідний струм 12 А, а VN20N - на 28 А. У

силових колах цифрових систем управління можна використовувати

твердотільні реле серії КP293 [27, 35].

Як відомо, недоліком електромагнітних реле є їх

недовговічність, пов'язана з підгорянням і швидким зношуванням

його контактів. А також акустичні шуми в процесі його роботи.

Найбільш популярні позитивні риси заміни електромагнітних

реле на оптоелектронні комутаційні вузли - це малі керуючий струм і

напруга, беззвучність і довговічність роботи, можливість роботи в

середовищах постійного і змінного струму, комутації напруги (деяких

приладів) до 400...600 В і струмів до 0,5 А. На рисунку 1.8

представлена одна з таких схем.

У цій схемі управління навантаженням (потужність якого може

досягати 600 Вт) здійснюється симістором КУ208. Завдяки розв'язці

по живленню - застосуванню оптоелектронного приладу АОУ103В,

кола управління навантаженням в мережі 220 В і керуючі схеми

повністю розв'язані. Керуюча постійна напруга (або імпульси)

амплітудою 1,5...2 В потрапляє від схеми управління через

обмежувальний резистор R1 на вхід оптопари VU1. Керуючий струм

не перевищує 5 мА.

За наявності керуючого сигналу, тиристор усередині оптопари

відкривається (його опір в прямому напрямку зменшується до

декількох десятків Ом), і він шунтує діагональ випрямляючого моста

VD1. Від випрямного моста напруга проходить на електрод

керуючого симістора VS1, завдяки чому він відкривається у відповідні

напівперіоди напруги і в навантаженні тече струм. Використання

оптопар АОУ103 залежить від напруги в електричному колі. Так, для

даної схеми та інших з напругою більше 200 В підходить лише

оптопара АОУ103В, а при меншій комутаційній напрузі з літерами А -

до 50 В, Б – до 100 В [27].

При необхідності управління більш потужним навантаженням,

наприклад до 1000 Вт, симістор, як основний пристрій в даній схемі,

що комутує навантаження, слід встановити на охолоджуючий

радіатор.

Схожа за принципом роботи схема представлена на рисунку 1.9.

Тут діагональ випрямного моста замикає оптосимістор ТО132-40 (або

аналогічний ТО125-12,5, ТО106-10 та інші). Їх основна відмінність

один від одного полягає у різних струмах і потужності комутації.

17

Рисунок 1.8 – Електрична схема із застосуванням оптрона

Рисунок 1.9 – Інший варіант схеми вузла управління навантаженням із

застосуванням оптрона

При середньому навантаженні (більше 60 Вт) діоди слід

встановити на радіатори, а при навантаженні більше 200 Вт їх слід

замінити потужнішими. Струм управління оптосимістором VU1 - 10

мА, напруга 2...3 В.

На рисунку 1.10 показана схема управління симістором КУ208Г

за допомогою подачі на електрод VS1 керуючої змінної напруги,

через обмежувальний резистор R1.

Рисунок 1.10 – Електрична схема управління симістором КУ208Г

Поки замкнуті контакти вмикача SA1 лампа розжарення

(навантаження EL1) світитиметься. Такий вимикач може бути

18

корисний при дистанційному управлінні яким-небудь навантаженням

або як складова частина складніших схем – адже замість вимикача

SA1 можна використовувати електронну схему (у тому числі із

застосуванням МДН і оптореле). Симістори КУ208Г чутливі до

"правильної" подачі напруги на керуючий елемент, тому, якщо вузол

не працюватиме відразу, в даному випадку необхідно поміняти

місцями провідники підключення в мережі 220 В (змінити фазування).

Рисунок 1.11 – Електрична схема "гібридного" управління

навантаженням

На рисунку 1.11 представлена схема гібридного керування

навантаженням.

Тут задіяні і оптопара тиристора АОУ103В, і оптосимістор

ТС106-10. У результаті такого схемного рішення вузол володіє

перевагами обох схем (якщо їх розглядати окремо).

На рисунку 1.12 представлена схема для керування потужним

навантаженням.

Рисунок 1.12 – Електрична схема вузла управління потужним

навантаженням

19

Силовим керуючим елементом, є симістор ТС171-250, а

проміжним - оптосимістор МОС3009 (МОС3052, МОС3010, МОС3012

і аналогічні за електричними характеристиками). Відмінна

особливість цієї схеми в тому, що напруга навантаження може

складати 380...400 В, а потужність більше 1000 Вт при керуючому

струмі до 10 мА і напрузі 2 В [1, 12].

Такий вузол без яких-небудь доповнень може керувати,

наприклад, потужним двигуном.

Оптосимістори серії МОС – зарубіжні пристрої, в деяких

випадках вони можуть бути замінені АОУ103В або оптоелектронними

МДН-реле вітчизняного виробництва, наприклад, КР293КП5В,

К449КП1ВР, К449КП2ВР, К293КП13П та аналогічними за

електричними характеристиками.

На рисунку 1.13 показаний ще один варіант включення -

поєднання оптоелектронної розв'язки із застосуванням оптопари

АОУ103В і симістора КУ208Г.

Управління пристроями навантаження ефективно здійснюється,

якщо їх потужність не перевищує 600 Вт. Оптопара АОУ103В

дозволяє самостійно комутувати високовольтне навантаження (з

напругою до 350 В), проте струм комутації не повинен перевищувати

100 мА. Тому для управління потужним навантаженням в схему

введений симістор КУ208Г.

Рисунок 1.13 – Електрична схема оптоелектронної розв'язки

1.2 Елементи індикації

1.2.1 Пристрої індикації

Практично кожен мікропроцесорний пристрій (МПП) містить

елементи індикації. Як індикатори в даний час найчастіше

застосовуються світлодіоди. На ринку є величезний вибір

світлодіодів, найрізноманітніших видів і розмірів.

У МПП світлові індикатори можуть служити для відображення

20

різних режимів роботи: попередження про критичні ситуації,

відображення ходу прийому керуючих сигналів тощо. Підключити

одиночний світлодіодний індикатор до МК дуже просто. На рисунку

1.14 приведена схема підключення світлодіода безпосередньо до

виводу порту МК.

MC

Рисунок 1.14 – Схема підключення світлодіодного індикатора

Стан «0»

Стан «1»

Стан «0»

Стан «1»

Рисунок 1.15 – Управління двома світлодіодами одним виходом МК

Рисунок 1.16 – Включення трьох пар зустрічно-паралельних

світлодіодів

21

Усі вихідні каскади МК мають достатню навантажувальну

здатність для того, щоб витримати підключення одного

світлодіодного індикатора із споживаним струмом у робочому режимі

не більше 20 мА.

Для управління двома світлодіодами одним виходом у МК

передбачено активні вихідні каскади, і для перемикання режиму

роботи (введення або виведення) служить спеціальний регістр. Таким

чином, сигнал кожного виходу будь-якого порту може мати 3

значення - «0», «1» і високоімпедансний («Z») стан. Це дозволяє

керувати двома світлодіодами за допомогою одного виводу (рисунок

1.15).

При роботі порту в режимі виходу, залежно від стану «0» або

«1» горить відповідно верхній або нижній світлодіод. При

перемиканні в Z-стан, і при відповідному виборі резисторів струм

через світлодіоди дуже малий і їх світіння майже непомітно.

Цікавим є включення трьох пар зустрічно-паралельних

світлодіодів за схемою «зірка» (рисунок 1.16).

Відповідними сигналами МК можна домогтись світіння будь-

якого з шести світлодіодів, а також їх комбінацій. Використовуючи

динамічну індикацію, можна отримати будь-які комбінації.

1.2.2 Організація динамічної індикації

Дуже часто МК використовується не тільки для управління

роботою конструкції, але і для того, щоб повідомити що-небудь

користувачеві і/або отримати від нього які-небудь вказівки про

подальшу роботу. Наприклад, електронний годинник, крім власне

відліків часу, повинен його ще відображати, а також дозволяти

змінювати покази (встановлювати точний час). Якщо вся "інформація"

зводиться до мигання парою світлодіодів, яких-небудь спеціальних

зусиль по відображенню інформації з боку розробника конструкції не

вимагається, але якщо таких світлодіодів виявляється два-три десятки,

тут вже потрібне застосування додаткових засобів - як апаратних, так і

програмних. Як правило, в цьому випадку відображення інформації

виконують у режимі динамічний індикації - це найбільш економний за

кількістю використаних ліній спосіб.

Для організації динамічної індикації застосовується матриця, що

складається з ліній рядків і ліній стовпчиків (рисунок 1.17). На

перетині стовпчика і рядка матриці розташований індикаторний

елемент - світлодіод. Для того, щоб запалити той або інший елемент,

необхідно подати на матрицю не один, як в звичайних індикаторах, а

22

два сигнали: логічна 1 на відповідному рядку і логічний 0 на

відповідному стовпчику матриці. Через односторонню провідність

світлодіода кожна комбінація сигналів на входах рядків і стовпчиків

однозначно включає рівно один індикаторний елемент.

Головна перевага динамічної індикації - невелике число ліній,

що управляють: для матриці світлодіодів розміром N x N елементів

потрібно всього 2N сигналів, що управляють. За таку економію, втім,

доводиться платити - справа в тому, що при почерговому виведенні

інформації на кожен світлодіод матриці його яскравість світіння, буде

в N2 разів нижче, ніж при безпосередньому виведенні інформації на

один світлодіод, що "окремо стоїть". Тому в пристроях, що

використовують динамічну індикацію, виведення інформації

здійснюється не на кожен світлодіод окремо, а на один рядок або на

один стовпчик цілком - у цьому випадку яскравість світіння

світлодіодів падає тільки в N разів.

Комутатор

Ко

мут

ат

ор

Рисунок 1.17 – Організація динамічної індикації

Розглянемо декілька варіантів реалізації динамічної індикації із

застосуванням МК [3, 7, 9, 26, 43, 56, 66]. Як індикаторний елемент

передбачається застосування семисегментних індикаторів, але кожен

такий індикатор з легкістю можна замінити і групою світлодіодів.

Схема реалізації динамічної індикація без додаткових елементів

приведена на рисунку 1.18. До порту В МК підключені катоди всіх

світлодіодів матриці, а до порту А – аноди кожного індикатора, що

створюють матрицю. На лініях порту А організовується одиниця, що

"біжить". На лінії порту В при кожному положенні одиниці, що

23

біжить, виводиться семисегментний код того символу, який повинен

горіти в даному знакомісці. Для індикаторів із загальним катодом

замість одиниці, що біжить, використовується нуль, що біжить.

Перевага такого способу індикації - у відсутності яких-небудь

додаткових компонентів (окрім самих світлодіодних індикаторів),

головний недолік – значна перевитрата ліній портів. Таке рішення для

МК може забезпечити роботу не більше 5 семисегментних індикаторів

одночасно, і при цьому МК стає "глухий і сліпий", оскільки жодної

вільної лінії у нього не залишається. При використанні інших МК з

великою кількістю ніжок – наприклад, ATTiny28, вказана проблема

знімається.

MC

Рисунок 1.18 – Схема реалізації динамічної індикація без додаткових

елементів

MC

RG

Рисунок 1.19 – Схема реалізації динамічної індикації з одним

додатковим елементом

Схема реалізації динамічної індикації з одним додатковим

елементом приведена на рисунку 1.19. До порту В МК підключені

катоди всіх світлодіодів матриці, а також - входи буферного регістра.

До виходів же буферного регістра підключені аноди кожного з

24

семисегментних індикаторів. На порт В спочатку виводиться одиниця,

що біжить, яка записується в буферному регістрі сигналом С, що

утворюється однією з ліній порту А. Потім на лінії порту В видається

семисегментний код символу, який повинен горіти в знакомісці,

визначуваному сигналом на виході буферного регістра. В даному

випадку лінії порту В використовуються в режимі часового

мультиплексування, тобто по ним по черзі передається і код символу,

і номер знакомісця. Перевага такого способу індикації - менша

витрата ліній портів МК (окрім порту В - всього одна додаткова лінія)

і можливість роботи до 8 індикаторів одночасно.

RG

MC

Рисунок 1.20 – Схема реалізації динамічної індикації з регістром

зсуву.

RG

MC

Рисунок 1.21 – Схема реалізації динамічної індикації з дешифратором

Ще один варіант індикації з одним додатковим елементом

наведений на рисунку 1.20. У цьому варіанті одиниця, що біжить,

25

реалізується за допомогою регістра зсуву. Порт В у цій схемі також

використовується в режимі часового мультиплексування - як для

видачі символу, так і для занесення чергового біта до регістра зсуву.

Схема також вимагає всього одну додаткову лінію (крім порту В), але

за габаритами виходить трохи менше попереднього варіанту. Ще один

варіант реалізації схеми з одним додатковим елементом наведений на

рисунку 1.21. Така схема придатна тільки для індикаторів із

загальним катодом, оскільки для організації нуля, що біжить, в ній

використовується дешифратор. Схема вимагає три додаткові лінії

(крім порту В), проте у багатьох випадках вона може виявитися

цілком корисною.

Схема реалізації динамічної індикації з двома додатковими

елементами наведена на рисунку 1.22. У схемі використовуються два

послідовні регістри зсуву: один - для розгортки зображення по

стовпчиках (замінює порт А), інший - для розгортки зображення по

рядках (замінює порт В). Перевага такого рішення – всього три лінії

порту МК. Крім того, при такому варіанті реалізації блок динамічної

індикації легко оформити і у вигляді окремої плати. Недолік такого

рішення - два додаткових компонента.

MC RG

RG

Рисунок 1.22 – Схема реалізації динамічної індикації з двома

додатковими елементами

Ще одна схема реалізації наведена на рисунку 1.23. Перевага

такої схеми - всього дві лінії порту. Недолік - складніша програма

управління і велика тривалість формування вихідних сигналів, що

викликає деяке паразитне підсвічування індикаторів (помітно тільки в

темряві).

26

MC RG

RG

Рисунок 1.23 – Схема динамічної індикації з двома лініями керування

0 0 0 0

U3

HG2

117421

1053

12986

ABCDEFGDP

COM1COM2COM3COM4

AT90S2313

U4

AT90s2313

123456789

10 11121314151617181920

RESETPD0PD1XTAL2XTAL1PD2PD3PD4PD5GND PD6

PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7

VCC 8

3

6

C2 33p

0

R1

10k

2

5

+5V

0

4

1

4MHz

C1 33p

2

3

7

41 3

R2

2M

4

12

Рисунок 1.24 – Підключення динамічного індикатора до МК

AT90S2313.

Практична схема підключення динамічного індикатора на МК

AT90S2313за схемою, що наведена на рисунку 1.18, зображена на

рисунку 1.24. Символ, що буде світитись на індикаторі визначається

сигналом логічної одиниці на вивід COM1, 2, 3, 4 індикатора. На шині

даних (A, B, C …) активним рівнем являється рівень логічного 0.

1.3 Пристрої формування звукових сигналів

П'єзоелектричні динаміки служать для генерації звуків. Вони

мають максимальну вхідну напругу 50 В і номінальний струм 10 мА.

На рисунку 1.25 зображена схема, що використовує буфер

КМОН/ТТЛ для управління таким динаміком. Схема пристрою

27

управління на транзисторі ZTX300 наведена на рисунку 1.26 [1, 9].

Щоб отримати звук, необхідно подати на вхід послідовність

імпульсів.

Рисунок 1.25 – Схема управління п’єзоелектричним динаміком на

базі буфера ТТЛ/КМОН

Рисунок 1.26 – Схема управління п’єзоелектричним динаміком на

транзисторі

Рисунок 1.27 – Схема управління зумером або сиреною

28

Напівпровідникові зумери – це автономні динаміки, здатні

генерувати тон, частотою близько 450 Гц. На рисунку 1.27

представлена схема управління на транзисторі ZTX300. Для генерації

звуку на базу ZTX300 необхідно подати високий рівень напруги. При

управлінні сиренами можна використовувати такі ж схеми.

CT2

Рисунок 1.28 – Схема генератора ультразвуку

Рисунок 1.29 – Схема формування звукового сигналу апаратним

способом

Ультразвукові перетворювачі призначені для генерації

ультразвуку. Зазвичай вони застосовуються в пристроях

дистанційного управління, вимірювання і передачі даних, наприклад в

ультразвуковому вимірювачі відстаней і детекторах руху об'єкту. На

рисунку 1.28 зображена схема, яка генерує сигнал частотою 38,4 кГц.

У даній схемі ультразвуковий сигнал генерується лише у тому

29

випадку, коли на контакт 12 (RESET) подається сигнал низького

рівня. Якщо на цьому вході високий рівень, генерація заборонена [26,

64].

На рисунку 1.29 зображена схема формування звукового

сигналу апаратним способом. Схема складається з генератора

звукового діапазону на логічних елементах І та схеми управління

звуковим пристроєм. При формуванні МК сигналу логічної «1»

імпульси від генератора проходять на звуковий пристрій.

1.4 Пристрої управління двигунами постійного струму

Двигунами постійного струму можна керувати за допомогою

реле або транзисторів (рисунок 1.30). Одиночне перемикальне реле

вмикає і вимикає двигун, а спарене реле відповідає за напрям

обертання (рисунок 1.31).

Рисунок 1.30 – Пристрій управління двигуном постійного струму на

базі реле

30

Рисунок 1.31 – Блок-схема мостового пристрою управління L298N

Рисунок 1.32 – Пристрій управління двигуном постійного струму

Інший спосіб управління двигунами постійного струму

заснований на використанні мостових схем типу L298N (SGS-

Thomson, RS636-384) [1]. Це двоканальний пристрій, в якому

присутня потужна напруга до 46 В, струм до 2А на кожен канал.

Такий пристрій працює від рівнів ТТЛ (рисунок 1.31). З виводу Vs

31

(контакт 4) подається напруга живлення для двигуна, на вивод Vss

(контакт 9) подається напруга живлення схеми (+5В). Виводи ENA і

ENB (контакти 6 і 11) відкривають входи двох каналів. Входи IN1 і

IN2 (контакти 5 і 7) керують першим каналом, а IN3 і IN4 - другим.

Емітери транзисторів з’єднані для підключення зовнішніх датчиків

контролю. Типова схема включення для одного каналу наведена на

рисунку 1.32.

Коли на вході ENA низький рівень, входи заблоковані і двигун

не обертається. Якщо на цей вхід подати високий рівень, входи

відкриваються. Входи IN1 і IN2 керують режимами роботи двигуна

таким чином:

IN1 - 1, IN2 - 0 - двигун обертається за годинниковою стрілкою;

IN1 - 0, IN2 - 1 - двигун обертається проти годинникової

стрілки;

INI = IN2 - двигун не обертається.

MC

MC

а) б)

в)

Рисунок 1.33 - Управління колекторним двигуном постійного

струму: а) схема з верхнім розташуванням ключа; б) схема з нижнім

розташуванням ключа; в) мостова схема.

При управлінні колекторними двигунами постійного струму

потрібно регулювати струм, що проходить через обмотки двигуна.

32

Цей процес включає регулювання напрямку магнітного потоку і

величини струму. Проста схема управління наведена на рисунку 1.33.

Дані схеми дозволяють керувати обертанням двигуна лише в одному

напрямку.

Схема з верхнім розташуванням ключа часто застосовується в

системах з підвищеними вимогами до безпеки – коротке замикання не

призводить до увімкнення двигуна, у вимкненому стані обидва виводи

обмотки підключено до спільної точки схеми. Схема з нижнім

розташуванням ключа найдешевша, оскільки для управління силовим

транзистором MOSFET досить подавати на затвор сигнал з цифрового

виходу МК без використання спеціального драйвера. Для

реверсивного управління двигуном потрібно використовувати

мостову схему включення, наведену на рисунку 1.33. Частота

обертання двигуна регулюється за допомогою зміни значення напруги

на обмотці якоря. При використанні МК цю напругу можна

регулювати за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ).

Для вимірювання частоти обертання двигуна можна

використовувати ефект зворотної ЕРС або використовувати

оптоелектронний датчик положення ротора («ромашка»), що

наводиться на рисунку 1.34.

MC

MC

а) б)

Рисунок 1.34 – Вимірювання швидкості обертання двигуна: а) з

використанням зворотної ЕРС; б) з використанням датчика положення

ротора.

Безколекторні двигуни є прикладом спрощення конструкції з

одночасним ускладненням схеми управління. Двигун не може

самостійно перемикати обмотки (керувати струмом), тому схема

управління повинна самостійно коректно регулювати величину

струму в обмотках для забезпечення рівномірного обертання валу

двигуна. Схема управління містить напівмостову схему включення

кожного з трьох виводів обмоток. Існують 2 основних типи

управління безколекторним двигуном: з датчиками і без датчиків. Для

33

того, щоб включати обмотки в потрібній послідовності, необхідно

використовувати різні методи визначення положення ротора. Двигун з

датчиком завжди повідомляє МК положення ротора. Кожному

положенню ротора відповідає певний набір керуючих дій, які

подаються на мостову схему включення обмоток.

MC

MC

а) б)

в)

Рисунок 1.35 – Управління безколекторним двигуном постійного

струму: а) спільна схема включення; б) схема включення без датчика

положення; в) схема включення з датчиком положення.

У двигунах без датчика положення ротора визначається за

величиною ЕРС, що виникає в непідключеній обмотці. Двигуни без

датчиків простіші у виготовленні, але складніші в управлінні. Їх

застосовують в умовах, що не вимагають частих запусків і зупинок.

Двигуни з датчиками – кращий вибір для умов, пов'язаних з

періодичними зупинками і запусками. Схеми включення двигуна

наведені на рисунку 1.35. Складність побудови схем управління не

залежить від типу двигуна. Безколекторні двигуни володіють

кращими показниками надійності, питомої потужності і економічності

в порівнянні з колекторними, тому рекомендується використовувати

безколекторні двигуни.

34

1.5 Пристрої комутації

1.5.1 Аналогові ключі

Аналоговий електронний ключ можна представити як

електронний аналог реле, що дозволяє МК замикати і розмикати

контакт між двома точками схеми. Аналогові ключі швидші і

компактніші ніж реле, не мають тремтіння контактів і вимагають

менший струм для включення.

На рисунку 1.36, а показано схематичне зображення аналогового

ключа і його внутрішню структуру. Зазвичай ключ складається з МДН-

транзисторів n- і p-типу, з’єднаних паралельно. Керуюче коло вмикає або

вимикає відразу обидва транзистори. Коли транзистори відкриті, струм

може текти по ним в обох напрямах однаково – як від входу аналогового

ключа до виходу, так і від виходу до входу. Напрямок струму – від входу

до виходу або навпаки визначається керуючим потенціалом на вході.

На рисунку 1.36,б показаний аналоговий ключ з двополярним

живленням V+ і V-. Насправді, деякі ключі можуть працювати і з

однополярним живленням (V- підключений до землі). У деяких ключах

потрібний третій вхід напруги (рисунок 1.36, в), еквівалентний напрузі

живлення логічних кіл.

1.5.2 Типи аналогових ключів

Хоча аналоговий ключ і можна представити аналогом

твердотільного реле, між ними існують значні відмінності. Наприклад,

контакти реле – абсолютно ізольовані від обмотки реле. Це дозволяє

перемикати напругу в сотні вольт без небезпеки пошкодити МП кола,

тобто реле працює, як гальванічна розв’язка, аналогічно оптрону із

закритим оптичним каналом. У аналоговому ключі необхідно подавати

живлення на перемикальні транзистори, тому амплітуда напруги

сигналу не може вийти за межі V+ і V-. Якщо напруга вхідного або

вихідного сигналу вийде за ці межі, ключ може вийти з ладу через

значний струм між сигнальним провідником і шиною живлення.

Деякі аналогові ключі забезпечені захистом від перенапруження.

Проте вони не можуть перемикати напруги вище напруги живлення, але

і не виходять з ладу. Ця особливість передбачена для пристроїв, сигнал

на яких може поступати навіть тоді, коли напруга живлення

відключається. Типовим прикладом є ІС МAX4511/4512 фірми

Maxim/Dallas [1, 11].

Оскільки аналогові ключі побудовані з використанням МДН -

транзисторів, існує деякий опір контакту в замкнутому стані, рівний

опору стік-витік транзистора. У перших модифікаціях ключів цей опір

35

вимірювався сотнями Ом, проте в останніх розробках понижено до

часток Ома.

Час вмикання і вимикання аналогових ключів позначається як Ton

і Toff і змінюється від наносекунд до мікросекунд.

Вхід Вихід

Керування

ключем

ввімк./вимк.

Вхід Вихід

Керування

ключем

ввімк./вимк.

Логіка

керування

V+V-

Сигнальний вхід

Сигнали керування

від мікропроцесора

R2

R1

R3в)

а)б)

Рисунок 1.36 – Аналоговий ключ: керування та застосування

1.5.3 Застосування аналогових ключів

Аналогові ключі можуть бути використані для регулювання

коефіцієнта підсилення операційного підсилювача (ОП), як показано на

рисунку 1.36, в. Два резистори R1 і R2 перемикаються аналоговим

ключем під дією зовнішнього МК. У даному колі установкою сигналів

управління МК (код 01, 10 і 11) можна вибрати один з трьох

коефіцієнтів підсилення, пропорційних величинам R1, R2 і R1

паралельно R2. Відмітимо, що напруга живлення аналогових ключів

має бути вище за амплітуду вхідних і вихідних сигналів, тобто, у

загальному випадку, напруги живлення ОП. Насправді, якщо напруга

36

живлення ОП стабілізована, то напруга живлення аналогового ключа

має бути лише трохи більше максимальної напруги на неінвертуючому

вході ОП.

1.5.4 Аналогові мультиплексори

На рисунку 1.37 зображений 4-1 (4 входи/1 вихід) аналоговий

мультиплексор. Аналоговий мультиплексор складається з двох або

більше аналогових ключів з одним спільним виходом (позначеним Y на

схемі). За допомогою керуючих входів можна вибрати, який з контактів

буде замкнутий, і таким чином, який з входів XI...Х4 буде з’єднаний з

виходом Y.

Рисунок 1.37 – Аналоговий мультиплексор

Як і аналоговий ключ, мультиплексор характеризується такими

параметрами, як діапазон вхідної напруги, опір у відкритому і

закритому станах, час перемикання. Типове використання аналогових

мультиплексорів – вибір джерела звукового сигналу в аудіопристроях.

Інтегральна схема МAX349 фірми Maxim/Dallas - це один 8-1

аналоговий мультиплексор з інтерфейсом SPI. Інтегральна схема (ІС)

МAX350 складається з двох 4-1 аналогових мультиплексора, також з

керуванням по інтерфейсу SPI [1, 9, 11, 12].

1.6 Кнопки та датчики

Практично жоден МПП не обходиться без кнопок і простих

датчиків. За допомогою цих периферійних елементів в МПП поступає

різна інформація, яка використовується для зміни алгоритму роботи

програми. Схема підключення контактного датчика до МК наведена

на рисунку 1.38. У наведеному прикладі датчик підключений до лінії

РD0 порту D МК. Через цей вхід МК проводить зчитування стану

датчика. Датчик можна підключити і до будь-якої іншої лінії будь-

якого з портів МК.

37

Рисунок 1.38 – Підключення контактного датчика до МК

У початковому стані контакти датчика розімкнені. На вхід МК

через резистор R1 прикладається напруга від джерела живлення + 5 В.

МК сприймає цю напругу як сигнал логічної одиниці. При

спрацьовуванні датчика контакти замикаються і з’єднують вивід МК

із загальним дротом. Тепер мікросхема сприймає вхідний рівень

сигналу як логічний нуль. Резистор R1 при цьому служить

струмообмежувальним елементом, запобігаючи короткому замиканню

між шиною живлення і загальним дротом. Деякі МК мають свої

внутрішні резистори навантаження, які можуть замінити зовнішній

резистор. Схема підключення декількох датчиків або кнопок до МК

зображена на рисунку 1.39.

Рисунок 1.39 – Підключення кнопок або простих датчиків до МК

У схемі, що зображена рисунку 1.40, при натисненні однієї з

клавіш змінюється постійна напруга на відповідному вході процесора,

яка розпізнається процесором і дешифрується в певну команду. Ця

напруга максимальна (приблизно 5 В), коли кнопки не натиснуті, і

мінімальна (0 В) при натиснутій клавіші S1 [6, 9, 56, 65, 66, 68].

Існує два види клавіатур, що підключаються до МК: з

скануванням і з кодуванням.

38

Рисунок 1.40 – Підключення кнопок зміною напруги на

аналоговому вході МК

Блок-схема 12-клавішної клавіатури з скануванням показана на

рисунку 1.41.

Рисунок 1.41 – Матрична клавіатура 4х3

Клавіші розташовані у вузлах матриці, у якої чотири лінії рядків

і три лінії стовпчиків. На лінії стовпчиків по черзі подається

негативний імпульс (логічний «0»). У цей момент перевіряється стан

чотирьох ліній рядків. Якщо натиснутих клавіш немає, всі лінії рядків

мають високий рівень (вони підключені до напруги +5V через

резистори). Якщо ж клавіша натискається, і на лінії стовпчика,

відповідного натиснутій клавіші, все ще нуль, то адекватна лінія рядка

також стає рівною нулю. Знаючи номери стовпчика і рядка, можна

отримати позицію натиснутої клавіші.

39

У клавіатурі з кодуванням застосовують спеціалізовані

мікросхеми, які виявляють натиснення клавіші і передають її код.

Приклад такого пристрою є мікросхема MM74C922 (National

Semiconductors) [12, 14, 57].

Розглянемо організацію клавіатури 5x3, що зображена на

рисунку 1.42. Горизонтальні лінії Х0...Х4 (ряди або рядки) є

вихідними, а вертикальні Y0...Y2 (колонки) є вхідними. У

неактивному перебуванні на виходах Х0.... Х4 присутній рівень

логічної 1, а входи Y0...Y2 зазвичай підтягнуті до живлення

резисторами. Для цієї мети, як правило, використовуються вбудовані

резистори (pullup), які є у деяких портів МК. При скануванні на

горизонтальних лініях матриці формується сигнал нуля, що "біжить".

На решті виходів зберігається рівень логічної 1. Для кожної фази

нуля, що "біжить", проводитися зчитування і аналіз коду Y0...Y2. При

замиканні якої-небудь з клавіш матриці, програмно встановлюється

код даної клавіші. Окрім розпізнавання положення натиснутої клавіші

слід програмно захиститися від "тремтіння" контактів, тобто від

впливу перехідних процесів, а також ситуацій, пов'язаних з

одночасним натисненням декількох клавіш.

Рисунок 1.42 – Структура матричної клавіатури

Для того, щоб запобігти протіканню небезпечних струмів при

одночасному замиканні декількох клавіш у одному стовпчику, в лініях

Х0...Х4 зазвичай встановлюють послідовно розв'язуючі резистори або

діоди. З цією ж метою можна використовувати і інший метод

сканування, при якому всі неактивні горизонтальні шини, окрім шини

нуля, що "біжить", програмно призначаються входами. Вплив

40

перехідних процесів можна виключити, якщо повторно зчитувати стан

входів матриці сканування через певну часову затримку.

Рисунок 1.43 – Помилкова клавіша при скануванні

Рисунок 1.44 – Мультиплексорне управління матричною

клавіатурою і семисегментним світлодіодним табло

41

У невеликих клавіатурних матрицях комбінації декількох

натиснутих клавіш не використовуються. Але якщо це все-таки буде

потрібно, то для сканування краще використовувати метод з

призначенням входами неактивних рядків. У цьому випадку можна

упевнено визначати дві одночасно натиснуті клавіші в одному рядку і

навіть визначати позиції трьох одночасно натиснутих клавіш. Але це

справедливо тільки якщо топологія трьох натиснутих кнопок не

утворює прямого кута, як показано на рисунку 1.43.

Для раціонального використання ресурсу портів їх виводи, які

використовуються для сканування клавіатури, можна

використовувати і для інших функцій, наприклад, для підтримки

динамічної світлодіодної індикації. На рисунку 1.44 показаний

приклад такого мультиплексування портів МК.

MC

Рисунок 1.45 – Схема підключення клавіатури у вигляді матриці

клавіш

Схема матричної клавіатури на 32 клавіші наведена на рисунку

1.45. Додавши один дешифратор, можна заощадити дві лінії порту

РD. Схема клавіатури з дешифратором наведена на рисунку 1.46. У

цій схемі для вибору одного з чотирьох стовпчиків клавіатури

використовується дешифратор DD2 типу К555ИД4. У такій схемі для

сканування стовпчиків МК повинен подавати на виходи РD0 і РD1

42

двійковий код номера стовпчика. Код поступає на входи А0 і А1

дешифратора. В результаті один з його виходів (той, номер якого

відповідає коду, що поступив) прийме нульове значення. На решті

виходів буде одиниця. Так, при коді 00 на вході дешифратора вихід

Q0 (вивід 9) приймає нульове значення. Для коду 01 – нуль буде на

виході Q1 і так далі. Таким чином, МК може перебирати всі чотири

стовпчики, використовуючи всього два розряди.

MC

DC

Рисунок 1.46 – Підключення клавіатури з використанням

дешифратора

Існують і інші способи зменшення числа використання виводів

МК, призначених для сканування клавіатури. Реалізація одного з

таких способів наведена на рисунку 1.47. У звичайних матричних

клавіатурах при замиканні кожного контакту утворюється електричне

43

з'єднання між вихідним і вхідним ланками схеми сканування. Але

якщо змінити топологію розташування клавіш так, щоб при замиканні

контакту забезпечувалася зміна потенціалів групи шин, то число

кодованих клавіш можна значно збільшити. Така конструкція

клавіатури забезпечує кодування більшого числа клавіш, ніж звичайна

матрична, при однаковому числі шин, що використовуються для

кодування. Збільшення досягнуте за рахунок того, що додаткові

кодові комбінації утворюються парами шин кодування.

Рисунок 1.47 – Топологія клавіатури з одним контактором

Для подібного варіанту топології сканування не потрібне. Всі

шини є входами з підтяжкою до напруги живлення резисторами.

Контактор з’єднаний із загальною шиною. При замиканні контакту

потенціал контактора передається на одну або дві кодові шини, на

перетині яких він знаходиться. Якщо ввести другий замикаючий

контактор з потенціалом живлення, то можна удвічі збільшити число

сканованих клавіш. Для цього варіанту необхідно проводити

сканування, наприклад, з періодом 20-30 мс. При скануванні

використовується ефект пам'яті на паразитній ємкості шин. У першій

фазі сканування всі шини визначаються виходами, і на них подається

потенціал логічного 0. Потім виводи порту перевизначаться як входи,

і проводиться зчитування їх стану. Факт замикання фіксується по

зміні потенціалу, після чого проводиться друга фаза сканування.

Цього разу на шини подається потенціал живлення, проводиться

аналіз можливих станів шин і визначаються позиції замкнутих

контактів. Наприклад, при використанні чотирьох шин із звичайною

матричною топологією можна сканувати всього 4 кнопки, а при

використанні вищеописаного методу вже 20 (рисунок 1.48).

44

Рисунок 1.48 – Топологія клавіатури на 20 клавіш з 4 лініями

сканування

1.7 Оптичні датчики

Як оптичний датчик найчастіше виступає світлодіод-

фотоприймач, який називається оптроном. Випускаються оптрони із

закритим (optoisolator) оптичним каналом (у монолітному виконанні) і

відкритим оптичним каналом (щілинні і відбиваючі оптрони).

1.7.1 Щілинний оптрон

На рисунку 1.49 показаний оптичний датчик – щілинний оптрон

(slotted optical switch). Фототранзистор і направлений на нього

світлодіод закріплені на пластикову підставку і розділені проміжком

так, що коли якийсь предмет рухається в зазорі, він перериває світло

між світлодіодом і датчиком. Щілинні оптрони часто

використовуються для вимірювання швидкості двигуна за допомогою

диска з прорізами, розміщеного на осі двигуна. Коли вісь обертається,

диск по черзі перериває або, навпаки, не перериває світловий промінь.

Інше застосування щілинного оптрона – це індикація, відкриті або

закриті двері або, наприклад, кожух охоронного приладу. Прапорець

45

на дверях, потрапляючи в щілину, блокує світло, коли двері

закриваються. Механічна комп'ютерна миша також використовує

щілинні оптрони.

Фоторезистор

Спрощена електрична схема

пари світлодіод - фоторезистор

Світлодіод

Рисунок 1.49 – Щілинний оптрон

Відбиваюча

поверхня

Світлодіод

Коліматор

Фоторезистор

Рисунок 1.50 – Відбиваючий оптрон

1.7.2 Відбиваючий оптрон

На рисунку 1.50 показаний інший тип оптичного датчика –

відбиваючий оптрон (reflective sensor). Принцип роботи цього датчика

такий же, як і щілинного, з тією різницею, що фототранзистор

приймає відбите, а не пряме світло. Більшість датчиків відбиття

характеризуються фокусною відстанню – оптимальною відстанню, на

якій має бути розміщений відбиваючий об'єкт від датчика. Ця відстань

складає величину 0,254... 1,270 см (від 0,1 до 0,5 дюйма). Типове

застосування відбиваючих оптронів – це реєстрація обертання двигуна

по нанесених на його вісь темних мітках [1, 3, 16, 34, 35].

Коли вісь обертається, датчик реєструє зміну темних і

відбиваючих ділянок. Обидва типи оптронів мають схожі

характеристиками, які необхідно враховувати при проектуванні

систем.

1.7.3 Швидкість спрацьовування оптронів

Оскільки фототранзистор досить повільно діючий оптичний

прилад, то це обмежує максимальну швидкість реєстрації. Типовий

час включення фототранзистора 8 мкс, а вимкнення 50 мкс. Ці часові

параметри визначаються швидкістю носіїв під дією світла в переході

база-емітер транзистора.

46

1.7.4 Коефіцієнт підсилення за струмом

Оптопара світлодіод-фототранзистор має обмежений коефіцієнт

підсилення, звичайно менше одиниці. Відношення струму, що

протікає в колекторі фототранзистора до струму через світлодіод,

називається коефіцієнтом передачі за струмом (КПС) (Current Transfer

Ratio, CTR). Типове значення КПС для щілинних оптронів складає 0,1.

Це означає, що при струмі 10 мА, що протікає через світлодіод, струм

колектора фототранзистора складе 1 мкА. КПС інколи задається як

коефіцієнт, інколи наводиться у вигляді таблиці, що показує різні

значення струмів колектора для різних величин струму світлодіода.

КПС залежить від характеристик світлодіода і фото транзистора. КПС

слід брати до уваги при створенні інтерфейсу між оптроном і МПС.

По-перше, якщо оптрон приєднується до цифрового входу (рисунок

1.51), вихід транзистора необхідно узгоджувати за логічними рівнями

з входом цифрового пристрою.

Навантажувальний резистор

Логічний вихід

до цифрових схем

Схема Дарлінгтона на виході

+V+V

10 мА

Рисунок 1.51 – Оптрони з цифровим виходом

Для швидкого насичення фототранзистора величину резистора

навантаження слід обмежити. Наприклад, якщо через світлодіод

протікає струм 10 мА, а мінімальна величина КПС дорівнює 0,1, то

величину резистора навантаження слід вибрати 5 кОм [5, 26, 34].

Менша величина резистора забезпечить кращу стійкість до шумів

(через менший імпеданс) і, можливо, велику швидкість перемикання,

але не гарантує сумісності зі всіма пристроями, оскільки транзистор

не зміг би пропускати достатній струм для забезпечення низького

логічного рівня. Щоб знизити величину резистора навантаження,

47

можна використовувати оптопару з більш високим КПС або живити

світлодіод великим струмом.

Випускаються оптрони із складеним транзистором Дарлінгтона

на виході, що забезпечує КПС > 1, але швидкість перемикання такого

оптрона нижча і складає 20% від швидкості одиночних транзисторів.

До того ж напруга насичення транзистора Дарлінгтона більша, ніж в

одиночного транзистора.

Відбиваючі датчики також характеризуються КПС. Оскільки

датчик розрахований на прийом відбитого світла, то КПС залежатиме

від властивостей відбиваючої поверхні і відстані до неї. КПС

відбиваючого датчика задається відносно деякої стандартної

відбиваючої поверхні, розміщеної на характерній фокальній відстані.

1.7.5 Особливості роботи в інфрачервоному діапазоні

У більшості щілинних і відбиваючих датчиків

використовуються інфрачервоні світлодіоди і фототранзистори. Це

означає, що реакція датчика може відрізнятися від реакції у видимому

діапазоні спектру. Об'єкти, що добре відбивають у видимому світлі,

можуть відбивати менш ефективно в інфрачервоних променях (ІЧ).

Слід також враховувати завади, що вносяться природним і штучним

освітленням.

+V+V

Імпульсний сигнал

Навантажувальний резистор

ФільтрВихідний сигнал

Форма імпульсів

Поява постійної складової

через вплив підсвітки

навколишнім світлом

Сигнал промодульовано

частотою 60 Гц- завада

від ламп денного світла

Рисунок 1.52 – Фільтрація сигналу оптичного датчика

48

На рисунку 1.52 показано, що оптрон, який працює з

прямокутними імпульсами, може бути обладнаний фільтром для

усунення подібних завад. У даному прикладі освітлювальний прилад

додає до вихідного сигналу постійний зсув і коливання з частотою

мережі 50 Гц. Після проходження сигналу через фільтр, налаштований

на частоту паразитної модуляції мережі, ці завади вирізаються

фільтром, і відфільтрований від завад сигнал може бути перетворений

в цифровий. Фільтр може бути реалізований як за допомогою

електроніки, так і програмно. ІЧ-промені широко застосовуються в

побутовій техніці. У пульті дистанційного керування телевізора на ІЧ-

променях використовується модуляція сигналу з частотою 40 кГц. Для

забезпечення роботи з такою частотою в датчику застосовується

високошвидкісний фотодіод.

Подібна фільтрація має і недоліки. Один з недоліків –

обмеження швидкості. Через значний час вмикання і вимикання

фототранзистора, частота модуляції, з якою пристрій ще

працюватиме, обмежена величиною порядку 10 кГц.

Недолік також в тому, що в результаті фільтрації з'являється

деяка затримка в часі, що досягає декількох циклів роботи механічної

частини. Так, якщо навіть датчик розрахований на роботу з частотою

10 кГц, в цілому система зможе підтримувати не вище 1 кГц, бо

розраховується за найповільнішою частотою. Крім того, якщо

зовнішнє освітлення має сильний вплив, то фототранзистор

насичується і фільтрація не в змозі відновити вихідний сигнал. У

даному випадку необхідно захистити фототранзистор від зовнішнього

засвідчення.

1.7.6 Дискретні оптичні датчики

У деяких пристроях інколи потрібне застосування дискретних

оптичних датчиків: світлодіода і фототранзистора. Вони розраховані

на роботу в інфрачервоному діапазоні, як і ті, що застосовуються в

щілинних і відбивних оптронах. Дискретні оптопари

використовуються в системах, де великий об'єкт перешкоджає шлях

світловому променю між світлодіодом і фототранзистором або там, де

відстань дуже велика для використання оптрона.

Дискретні оптопари мають аналогічні схеми включення і

використовуються так само, як розглянуті раніше оптрони. Проте

існує декілька додаткових зауважень. Оскільки відстань між

світлодіодом і фототранзистором у такій системі більше, ніж в

стандартній ІС, КПС, відповідно, нижче. Часто з'являється

необхідність підстроїти струм світлодіода або поріг чутливості для

49

надійної роботи схеми. У деяких випадках може знадобитися лінза

(об'єктив) на один з елементів оптопари для фокусування світла.

Необхідність фокусування – досить поширена проблема, що

виникає при використанні дискретних елементів. Ця проблема буде

особливо відчутна, якщо світлодіод і фототранзистор розташовані на

різних механічних підставках.

У оптроні світлодіод і фототранзистор узгоджені по довжині

світлової хвилі. Хоча велика частина фототранзисторів і світлодіодів

ІЧ-діапазону можуть працювати спільно, але узгодження максимуму

їх спектральної чутливості все ж може відрізнятися. Отже, при

використанні дискретних елементів, вибираються світлодіод і

фототранзистор, що працюють в одній і тій же області ІЧ-спектру.

+V+V

Навантажувальний

резистор

До МК

+V+V

Навантажувальний

резистор

До МК

Опорна напруга

+V+V

Навантажувальний

резистор

До МКАЦП

Може бути необхідне застосування тригера Шмітта.

Навантажувальні резистори в колі світлодіода і

фоторезистора повинні бути розраховані з урахуванням

КПС для встановлення необхідних логічних рівнів.

Датчики деяких систем мають достатньо низький КПС

для застосування такої схеми.

Схема забезпечує роботу оптичних приладів навіть у

такому випадку, коли вихідний сигнал фоторезистора

меньший необхідного логічного рівня.

Рівень опорної напруги може бути змінений за допомогою

потенціометра для встановлення напруги спрацьвування.

Найповільніший, оскільки кожний вимір потребує

окремого аналого-цифрового перетворення.

Дана схема призводить до ускладнення всієї системи,

так як програмне забезпечення повинно обробляти

результати перетворення.

Така схема універсальна і може працювати з датчиками з

різним КПС і оптичними системами.

Рисунок 1.53 – Схеми підключення оптичних датчиків до МК

50

На рисунку 1.53 показано три основні способи підключення

оптичного датчика до МК. У всіх випадках світлодіод підключений

через обмежуючий резистор, емітер фототранзистора з’єднується із

землею, а колектор підключений до живлення через резистор

навантаження і з’єднаний також з МК або іншим пристроєм –

компаратором або АЦП. Всі ці способи також ефективні і при інших

підключеннях керуючих пристроїв, як, наприклад, з використанням

МК для вмикання і вимикання світлодіода. Оптрони із закритим

оптичним каналом працюватимуть і при іншій схемі підключення

фототранзистора, наприклад, не за приведеною вище схемою із

спільним колектором, а по іншій – із спільним емітером (живлення

позитивної полярності подається на колектор і сигнал знімається

через резистор, що з’єднує емітер із землею).

Вихід до МП

Оптрон

+5 В

Оптрон

+5 В

+5 В +5 В

Пристрій з

інтерфейсом

SPI

Навантажувальний

резистор

Навантажувальний

резистор

Буфер U1

U2

Вхід з МП

Відключений, коли на

вході високий рівень

Рисунок 1.54 – Двохнаправлена розв’язка з використанням

оптронів із закритими оптичними каналами

На рисунку 1.54 показано, як оптрони із закритими оптичними

каналами можуть бути використані для розв'язки двохнаправленого

сигналу між двома системами. На рисунку 1.54 показано, що вивід I/O

пристрою, що використовує інтерфейс SPI, потрібно ізолювати по

постійному струму від МК. Для забезпечення необхідної розв'язки

51

використовуються два оптрони із закритими оптичними каналами.

Вихід SPI-пристрою забезпечений буфером (для забезпечення

необхідного струму світлодіода), і вихід оптрона U1 переходить до

стану низького рівня, коли SPI-пристрій встановлює на виводі I/O

низький логічний рівень. Вихід U1 може бути підключений до порту

МК.

Другий оптрон (U2) встановлює вивід I/O в нуль, коли МК

формує на світлодіоді сигнал низького рівня. Якщо МК не передає

дані на вивід I/O, він повинен залишити світлодіод у вимкненому

достатку (OFF state), так, щоб SPI-пристрій міг подавати сигнали на

цей вивід. Коли МП встановлює на виводі I/O низький логічний

рівень, вихід оптрона U2 також встановиться в низький рівень, щоб

МП ігнорував передачі на виході U2 в той час, коли він керує SPI-

пристроєм. З іншого боку, може бути використаний у відповідь сигнал

(return), для перевірки коректного проходження даних через SPI-

пристрій.

На рисунку 1.54 не показане коло, доповнене ще однією

оптопарою і ще одним портом МК, які знадобляться для формування

тактового сигналу інтерфейсу SPI. Керування двохнаправленим

виводом вимагає, щоб МК використовував два виводи порту (один

вхід і один вихід), що дозволяє забезпечити ізоляцію за постійним

струмом периферійного блоку або системи. У більшості випадків

необхідні високошвидкісні оптрони із закритими оптичними

каналами. Цілком можливо, що підійдуть діодно-транзисторні

оптрони або оптрони з логічним виходом, але слід пам'ятати, що

оптрон U2 (рисунок 1.54), безпосередньо з’єднаний з

двохнаправленим виводом, повинен мати вихід з відкритим

колектором. Для забезпечення достатньої швидкості перемикання слід

ретельно підібрати резистор навантаження, щоб уникнути надмірного

часу наростання, без перевищення навантажувальної здатності

виводу. Якщо як U2 застосовується оптрон з діодно-транзисторним

виходом, то він повинен забезпечувати достатній струм світлодіода

для гарантованої установки виводу катода світлодіода в низький

логічний рівень.

1.8 Цифро-аналогові перетворювачі

1.8.1 Загальні відомості

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) призначений для

перетворення числа, визначеного, як правило, у вигляді двійкових

кодів, у напругу або струм пропорційно значенню цифрового коду.

52

Дуже часто ЦАП входить до складу МПС. У цьому випадку,

якщо не потрібна висока швидкодія, цифро-аналогове перетворення

може бути дуже просто здійснено за допомогою ШІМ. Схема ЦАП з

ШІМ наведена на рисунку 1.55.

V1Vout

T 2Ttp t

б)

ФільтрS

VoutVref V1

а)

U

Рисунок 1.55 – ЦАП з широтно-імпульсною модуляцією:

а) структурна схема; б) часова діаграма.

Найпростіше організовується цифро-аналогове перетворення в

тому випадку, якщо МК має вбудовану функцію широко-імпульсного

перетворення (наприклад, AT90S8515 фірми Atmel або 87C51GB

фірми Intel) [24, 58, 59]. Вихід ШІМ управляє ключем S. У залежності

від заданої розрядності перетворення (для МК AT90S8515 можливі

режими 8, 9 і 10 розрядів) контролер за допомогою власного

таймера/лічильника формує послідовність імпульсів, відносна

тривалість яких Tt p / визначається співвідношенням (формула

1.1):

N

D

2 , (1.1)

де N - розрядність перетворення, а D - код перетворення.

Фільтр нижніх частот згладжує імпульси, виділяє середнє

значення напруги. У результаті вихідна напруга перетворювача

(формула 1.2):

N

REFREFOUT

DVVV

2 (1.2)

Розглянута схема забезпечує ідеальну лінійність перетворення,

не містить прецизійних елементів (за винятком джерела опорної

напруги). Основний її недолік - низька швидкодія.

Паралельні ЦАП мають більшу швидкодію і тому вони можуть

застосовуватися для більш широкого кола задач. Більшість схем

паралельних ЦАП реалізовано на додаванні струмів, що пропорційні

53

вазі цифрових двійкових розрядів, причому повинні додаватись тільки

струми тих розрядів, значення яких дорівнює 1.

1.8.2 Інтерфейси цифро-аналогових перетворювачів

Важливу частину ЦАП складає цифровий інтерфейс, тобто

схеми, що забезпечують зв'язок керуючих входів ключів з джерелами

цифрових сигналів. Структура цифрового інтерфейсу визначає спосіб

підключення ЦАП до джерела вхідного коду, наприклад, МП або МК.

Властивості цифрового інтерфейсу безпосередньо впливають і на

форму вихідної характеристики ЦАП. Так, неодночасність

надходження розрядів вхідного слова на керуючі входи ключів

перетворювача, приводить до появи вузьких викидів («голок») у

вихідному сигналі при зміні коду.

При керуванні ЦАП від цифрових пристроїв з жорсткою

логікою входів керуючих ключів, ЦАП можуть бути безпосередньо

підключені до виходів цифрових пристроїв, тому в багатьох ІС ЦАП,

особливо ранніх (572ПА1, 594ПА1, 1108ПА1, AD565) [11, 12, 26, 41,

59], будь-яка істотна цифрова частина відсутня. Якщо ж ЦАП входить

до складу МПС і отримує вхідний код від шини даних, то він повинен

бути забезпечений схемами, що дозволяють приймати вхідне слово

від шини даних, комутувати відповідно до цього слова ключі ЦАП і

зберігати його до отримання іншого слова. Для управління процесом

завантаження вхідного слова ЦАП повинен мати відповідні керуючі

входи і схему управління. Залежно від способу завантаження вхідного

слова в ЦАП розрізняють перетворювачі з послідовним і паралельним

інтерфейсами вхідних даних.

С

С

ЦАП

1

N

N

VoutVref

DI

CLK

D0

LD

CS

DI

CLK

CS

LD

D0D11

AD7233

а) б)

DI Регістр зсуву

Регістр зберігання

Рисунок 1.56 – ЦАП з послідовним інтерфейсом:

а) функціональна схема; б) часова діаграма.

54

ЦАП з послідовним інтерфейсом вхідних даних крім власне

ЦАП, містить на кристалі послідовний регістр завантаження,

паралельний регістр зберігання і керуючу логіку (рисунок 1.56,а). При

активному рівні сигналу CS (в даному випадку низькому) вхідне

слово довжини N (рівній розрядності ЦАП) завантажується по лінії DI

в регістр зсуву під управлінням тактової послідовності CLK. Після

закінчення завантаження, виставивши активний рівень на лінію LD ,

вхідне слово записують в регістр зберігання, виходи якого

безпосередньо управляють ключами ЦАП. Для того, щоб мати

можливість передавати по одній лінії даних вхідні коди на декілька

ЦАП, останній розряд регістра зсуву з'єднується з виводом ІС. Цей

вивід підключається до входу DI наступного ЦАП і так далі. Коди

вхідних слів передаються, починаючи з коду найостаннішого

перетворювача.

Як приклад, на рисунку 1.56,б представлена часова діаграма, що

відображає процес завантаження вхідного слова в ЦАП AD7233 [11,

12]. Мінімально допустимі значення інтервалів часу (порядку 50 нс),

позначених на епюрах, вказуються в технічній документації на ІС.

Після закінчення завантаження МК змінює рівень на вході CS ,

як це показано на рисунку 1.56,б. Виставивши активний рівень на

вході LD , ЦАП забезпечує пересилку вхідного коду з регістру зсуву

ЦАП в регістр зберігання. Час завантаження залежить від тактової

частоти МК і зазвичай складає одиниці мікросекунд. У випадку, якщо

коливання вихідного сигналу ЦАП під час завантаження допустимі,

вхід LD можна з'єднати із загальною точкою схеми.

На рисунку 1.57 наведений варіант схеми підключення

перетворювача з послідовним інтерфейсом до МК. На час

завантаження вхідного слова в ЦАП через послідовний порт МК, до

якого можуть бути також підключені і інші приймачі, на вхід CS

(вибір кристалу) подається активний рівень з однієї з ліній

введення/виведення МК.

AD72338051

P3.4

P3.3

RXD

TXD

LD

CS

DI

CLK

Рисунок 1.57 – Підключення ЦАП з послідовним інтерфейсом до МК

MCS51

55

Стосовно ЦАП з паралельним інтерфейсом вхідних даних

можна сказати, що частіше використовуються два варіанти. У

першому варіанті на N входів даних N-розрядного ЦАП подається все

вхідне слово повністю. Інтерфейс такого ЦАП включає два регістри

зберігання і схему управління (рисунок 1.58,а) Два регістри зберігання

потрібні, якщо пересилка вхідного коду до ЦАП і установка вихідного

аналогового сигналу, відповідного цьому коду, повинні бути розділені

в часі.

Подача на вхід асинхронного скидання CLR сигналу низького

рівня приводить до скидання першого регістра і, відповідно, вихідної

напруги ЦАП.

Регі стр збері гання 1

RС

СРегі стр

збері гання 2

ЦАП

N

N

VoutVref

LD

CS

Дані

CS

LD

MAX507

а) б)

WR

WR

СLR

N

Дані

Логік

аке

руванн

я

Рисунок 1.58 – ЦАП з паралельним інтерфейсом:

а) структурна схема; б) часова діаграма.

РегістрДешифратор

адреси

8086 MAX507

Шина адреси

D … D

16

1612

WRWR

LD

CSALE

AD0 … AD15

0 11

Рисунок 1.59 – Підключення ЦАП з паралельним інтерфейсом

до МП Intel 8086

Приклад блок-схеми підключення 12-розрядного ЦАП МАХ507

до 16-розрядного МП наведений на рисунку 1.59. Процесор посилає

вхідний код в ЦАП як в елемент пам'яті даних. Спочатку з шини

56

адреси/даних AD надходить адреса ЦАП, яка фіксується регістром по

команді з виходу ALE МП і, після дешифрування, активізує вхід CS

ЦАП. Зразу після цього МП подає на шину AD вхідний код ЦАП і

потім сигнал запису на вхід WR.

Для підключення багаторозрядних ЦАП до восьмирозрядних

МП і МК використовується другий варіант паралельного інтерфейсу.

Він передбачає наявність двох паралельних завантажувальних

регістрів для прийому молодшого байта (МБ) вхідного слова і

старшого байта (СБ) (рисунок 1.60). Пересилка байтів вхідного слова

до завантажувальних регістрів може відбуватися у будь-якій

послідовності.

Дешифратор

адреси

Регістр

СБ

Регістр

МБ

Регістр зберігання 1

1

1

Z80 MAX508

ЦАПШина адрес

Дані

12

4 8

8

WR

LD

WR

MREQ

CSM

CSL

D0 … D7

Vout

Рисунок 1.60 – Підключення ЦАП з паралельним інтерфейсом

другого типу до восьмирозрядного МП

1.9 Аналого-цифрові перетворювачі

1.9.1 Загальні відомості

На рисунку 1.61 показаний простий резистивний АЦП

східчастого типу з трьома ключами. Резистори складені в R/2R

конфігурації. Номінали резисторів не мають значення; опір може бути

10 кОм, 100 кОм і тому подібне. Кожен з ключів S0...S2 може

підключати один вивід одного резистора номіналом 2R між землею і

вхідною опорною напругою, VREF. На рисунку 1.61 показано, що

відбувається, коли S2 замкнути «ON» (з’єднаний із VREF), а S0 і S1

розімкнені «OFF» (з’єднані із землею). У результаті падіння напруги на

послідовно-паралельній резистивній ділянці остаточна вихідна напруга

(V0) стає рівною 0,5VREF. Можна так само обчислити V0 для всіх інших

комбінацій ключів (таблиця 1.1).

57

VREF

R1

2R

R2

2R

R4

2RR6

2R

VOUTR3 R R5 R

S2S1S0

On

Off

OnOff

OnOff VREF

R1

2R

R2

2R

R4

2R

R6

2R

R3 R R5 R VOUT VREF

V OUT = 0,5VREF

R

R

Рисунок 1.61 – Бітові АЦП

Таблиця 1.1 – Залежність вихідної напруги, відносно стану

ключів

Положення Вихідна напруга VOUT

S2 S1 S0

OFF OFF OFF 0

OFF OFF ON 0,125·VREF(l/8-VREF) OFF ON OFF 0,25·VREF(2/8-VREF)

OFF ON ON 0,375·VREF(3/8-VREF) ON OFF OFF 0,5·VREF(4/8-VREF)

ON OFF ON 0,625·VREF(5/8-VREF)

ON ON OFF 0,75·VREF(6/8-VREF)

ON ON ON 0,875·VREF(7/8-VREF)

Якщо положення (замкнений-розімкнений) трьох ключів

представити, як цифрове слово з трьох біт, тоді можемо переписати

таблицю використовуючи позначення ON = 1 (замкнутий), OFF = 0

(розімкнений) (таблиця 1.2).

Таблиця 1.2 – Змінена таблиця залежності вихідної напруги,

відносно стану ключів

Положення

ключа

Логічний

еквівалент

S0...S2

чисельний еквівалент

S2

S1

S0

S2

S1

S0

OFF

OFF

OFF

0 0 0 0

OFF

OFF

ON

0 0 1 1

OFF

ON

OFF

0 1 0 2

OFF

ON

ON

0 1 1 3

ON

OFF

OFF

1 0 0 4

ON

OFF

ON

1 0 1 5

ON

ON

OFF

1 1 0 6

ON

ON

ON

1 1 1 7

58

Таким чином, вихідна напруга є представленням комбінації

положень ключів. Кожен додатковий біт у таблиці додає VREF/8 до

загальної напруги. Або, іншими словами, вихідна напруга дорівнює

двійковому числу комбінації S0...S2, помноженому на VREF/8. Такий 3-

бітовий АЦП має 8 можливих станів, і кожен крок напруги складає

VREF/8.

Якщо додати ще одну R/2R пару і ще один ключ до схеми,

отримаємо схему з чотирма ключами і шістнадцятьма кроками по

VREF/16 вольт кожна. Схема з вісьма ключами має 256 рівнів по VREF/256

вольт кожна. Замінивши механічні ключі в схемі на електронні, можна

створити повноцінний інтегральний АЦП.

1.9.2 Опис АЦП

Для передачі аналогового сигналу до МПС використовують

АЦП. АЦП сприймає аналоговий сигнал, напругу або струм, і

перетворює його в цифрове слово, зрозуміле МП (рисунок 1.62,а). На

рисунку 1.62,б наводиться умовне зображення АЦП, який має вхід

опорної напруги VREF (reference) та вхід, куди подається сигнал. АЦП

має один вихід – цифрове слово розмірністю 8 біт, що представляє в

цифровій формі вхідну величину.

Вхід

Опорна

напруга

Вихідне

слово (8 біт)

32 64 96 128 160 192 224 255

1,0 VREF

0,8 VREF

0,6 VREF

0,4 VREF

0,2 VREF

Опорна напруга, VREF

Вхід

на

на

пр

уга

Вихідний рівень (десяткове значення)

а) б)

А/#

Рисунок 1.62 – До розгляду роботи АЦП

1.9.2.1 Опорна напруга

Опорна напруга, VREF – максимальна величина напруги, яку АЦП

може перетворити. АЦП, що зображений на рисунку 1.62, може

перетворити напругу з величинами від 0 до VREF. Цей діапазон напруги

поділений на 256 рівнів або кроків. Розмір одного кроку задається так:

мВВBVREF 5,190195,0

256

5

256 (1.3)

59

1.9.2.2 Вихідне слово

8-бітний АЦП представляє аналоговий сигнал цифровим словом.

Старший значущий біт цього слова (біт 7) показує, чи вище вхідна

напруга, ніж VREF/2 (2,5 В при VREF = 5 В). Кожен наступний біт (від

біта 6 до біта 0, який буде молодшим значущим бітом – least significant

bit, LSB) представляє половину значення попереднього, як показано в

таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 – Представлення аналогового входу цифровим словом

Біт

Біт 7

Біт 6

Біт 5 Біт 4

Біт 3

Біт 2

Біт 1

Біт 0

Напруга [В]

2,5 1,25 0,625 0,3125 0,156 0,078 0,039 0,0195

Так, маючи цифрове слово 0010 1100, можна визначити величину

напруги (таблиця 1.4).

Таблиця 1.4 – Відповідність цифрового слова певним значенням

Біт

Біт 7

Біт 6

Біт 5 Біт 4

Біт 3

Біт 2

Біт 1

Біт 0

Напруга[В]

2,5 1,25 0,625 0,3125 0,156 0,078 0,039 0,0195

Вихідна

величина

0 0 1 0 1 1 0 0

Додавши напругу, що відповідає кожному одиничному біту,

отримуємо реальну напругу (формула 1.4).

В859,0078,0156,0625,0 (1.4)

1.9.2.3 Роздільна здатність

Роздільна здатність АЦП визначається опорною напругою і

розрядністю слова. Роздільна здатність – це найменша напруга, яка

може бути виміряна АЦП і визначає точність перетворення. Роздільна

здатність – це найменший крок і може бути визначена діленням VREF на

число можливих величин перетворення.

Наприклад, для 8-бітного АЦП з VREF = 5 В, роздільна здатність

дорівнює 0,0195 В (19,5 мВ). Це означає, що будь-яка вхідна напруга

менше 19,5 мВ дасть на виході 0. Вхідна напруга між 19,5 і

39 мВ призведе до 1 на виході. Між 39 і 58,6 мВ – до 2 і так далі.

Роздільна здатність може бути покращена зменшенням VREF. Зміна VREF

з 5 до 2,5 В дасть роздільну здатність 2,5/256 або 9,7 мВ. Проте

максимальна напруга вимірювання тепер складе не 5, а 2,5 В.

60

Є лише один шлях збільшення роздільної здатності без зміни

опорної напруги – використання АЦП з більшою розрядністю слова.

Так 10-бітовий АЦП з опорною напругою 5 В має 210

, або 1024

можливих вихідних двійкових кодів. Роздільна здатність складе 5

В/1024 або 4,88 мВ.

1.9.3 Типи АЦП

Існує декілька типів АЦП, що працюють з різними швидкостями,

мають різні інтерфейси і забезпечують різну точність. Розглянемо їх

особливості [11, 26, 41].

1.9.3.1 Слідкуючий АЦП

Слідкуючий АЦП складається з компаратора, реверсивного

лічильника, керованого компаратором, і ЦАП. Компаратор порівнює

вхідну напругу з вихідною напругою ЦАП і керує напрямком лічби

реверсивного лічильника (+/-). Якщо вхідна напруга більша, ніж

напруга ЦАП, лічильник під дією тактових імпульсів, що поступають на

його вхід (рисунок 1.63,а) рахує на додавання (+), якщо ж менше

напруги ЦАП, лічильник рахує на віднімання (-).

Вхід ЦАП з’єднаний з виходом лічильника. Припустимо VREF = 5

В. Це означає, що перетворювач зможе працювати в діапазоні вхідної

напруги 0...5 В. Якщо старший значущий біт вхідного слова ЦАП

дорівнює 1, то VЦАП = 2,5 В. Якщо наступний біт дорівнює 1, додається

1,25 В, в результаті встановлюється 3,75 В. Кожен наступний біт додає

половину вихідної напруги, що відповідає попередньому біту. Таким

чином, вхідні біти ЦАП відповідають певній напрузі (таблиця 1.3, 1.4).

На рисунку 1.63, а показано, як слідкуючий АЦП обробляє

постійний сигнал з рівнем VBX = 0,37 В. Лічильник стартує з нуля, при

цьому вихід компаратора знаходиться у високому логічному рівні.

Лічильник рахує на додавання з кожним тактовим імпульсом,

ступінчасте піднімаючи VЦАП. Коли лічильник проходить двійкову

величину, яка представляє VBX, то компаратор перемикається, і

лічильник починає рахувати на віднімання. У результаті, лічильник

хитається довкола величини, яка представляє VBX.

Головний недолік слідкуючих АЦП – низька швидкість

перетворення. Перетворення може зайняти до 256 тактів 8-бітного

виходу, 1024 такти для 10-бітного значення і так далі. До того ж,

швидкість перетворення змінюється залежно від VBX. Якби напруга в

даному прикладі складала 0,18 В, перетворення зайняло лише половину

тактів у порівнянні з VBX = 0,37 В.

61

Вихід ЦАП

Відлік 13

Вихідна напруга ЦАП становить 0,352 В0,1 В

0,2 В

0,3 В

0,4 В

0,5 В

Час, t

Відлік 12

Вихідна напруга ЦАП

становить 0,372 В

0,37 В

ЦАП

Ре

гіс

тр

по

сл

ідо

вни

х

на

бл

иж

ень

8

8Компаратор

Вихід

Тактові

імпульси

Вхід

Опорна

напруга

в)

Комутатори

по одному на

кожен рівень

Опорна

напруга

Вхід

8

Логічна

схемаВихід

б)

Тактові

імпульси

Опорна

напругаЦАП

Лічильник

+/-

8

8Компаратор

Вихід

Вхід

а)Перетворення вхідного сигналу 0,37 В з використанням АЦП.

Лічильник стартує з 0, при цьому напруга 0 В на виході ЦАП.

Лічильник рахує на додавання, збільшуючи напругу на виході ЦАП

до тих пір, поки компаратор не змінить свій стан, після чого

лічильник постійно перемикається для підтримки виходу ЦАП на

одному рівні з вихідною величиною.

Перетворення вхідного сигналу 3 В з використанням АЦП.

Система послідовних наближень встановлює біт 7 і видає 2,5 В

на виході ЦАП, вихід компаратора - високий, так як вхідний сигнал

більше рівня ЦАП. Встановлюється біт 6, на виході ЦАП

отримуємо 3,75 В. Вихід компаратора переходить в низький

рівень, тому біт 6 скидається та встановлюється біт 5. Процес

продовжується до тих пір, поки не встановляться всі 8 біт.

Вихід ЦАП

1 В

2 В

3 В

4 В

5 В

Час, t

2,5 В

3,75 В

3,125 В3,04 В

3,00 В

2,98 В

2,96 В2,81 В

3 В

Вихід

компаратора

Рисунок 1.63 – Три типи АЦП: а) слідкуючий; б) паралельний;

в) послідовних наближень.

Максимальна тактова частота АЦП слідкуючого типу залежить

від затримки поширення сигналу в ЦАП і компараторі. Після кожного

тактового імпульсу вихід лічильника має бути перетворений ЦАП, а

результат перетворення з виходу потрапити на інверсний вхід

компаратора. Компаратор віднімає деяку частину часу для реакції на

зміну VЦАП, створюючи новий керуючий сигнал на складання або

віднімання для реверсивного лічильника. Всі затримки сигналу роблять

слідкуючий АЦП найповільнішим із всіх представлених типів АЦП.

Слідкуючі АЦП широкого поширення не отримали; серед інтегральних

схем що випускаються фірмами, такими як Analog Devices, Maxim,

Burr-Brown, неможливо знайти слідкуючих АЦП. Треба відзначити, що

АЦП послідовних наближень працює з великою швидкодією з такою

розрядністю слова. Проте зустрічаються такі випадки, коли слідкуючий

АЦП буде корисним. Наприклад, якщо сигнал змінюється повільно по

відношенню до частоти дискретизації, слідкуючий АЦП

встановлюватиме вихідне число за менше число тактів, ніж АЦП

послідовних наближень.

62

1.9.3.2 Паралельний АЦП

Паралельний АЦП (рисунок 1.63,б) – найшвидший з тих, що

випускаються виробниками. Паралельний АЦП містить по компаратору

на кожен крок напруги. На один із входів кожного компаратора

подається вимірювана напруга. Інші входи компараторів

підключаються до лінійки резисторів. Якщо рухатися вгору по цій

лінійці, то можна відмітити, що кожен наступний компаратор

підключений до вищої напруги з постійним кроком приросту напруги.

Залежно від зміни вхідної напруги будуть переключені у стан 1 лише ті

компаратори, в яких було перевищено опорну напругу. Сигнали з

виходів всіх компараторів поступають в логічний блок – шифратор,

який і задає вихідне цифрове m-бітне слово АЦП залежно від того, які

компаратори в стані 0, а які в стані 1. Число компараторів визначається

числом кодових комбінацій 2m–1, де m – роздільна здатність АЦП. Тоді

для 3-бітного АЦП буде потрібно 7 компараторів, для 4-бітного – 15

компараторів і так далі. Роздільна здатність паралельного АЦП

обмежена, як правило, від 6 до 12 біт. Нескладно підрахувати, що для 6

бітного АЦП потрібно 63 вхідних компаратора.

Швидкість перетворення паралельного АЦП складається з часу

затримки одного компаратора і логічного блоку. Паралельні АЦП

найбільш швидкодіючі серед основних типів АЦП. Їх швидкодія

складає десяті долі мікросекунд. До недоліків паралельних АЦП можна

віднести різке збільшення вхідних компараторів разом із збільшенням

роздільної здатності. З цієї причини для них недосяжний бар’єр у 12 біт,

навіть із збільшенням міри інтегрування мікросхем. Такі величезні

об’єми інтегральних елементів (компараторів і шифраторів) в одній

мікросхемі реально впливають на робочі характеристики. Використання

великого числа компараторів веде до збільшення споживаного струму.

Так, наприклад, 10-бітний паралельний АЦП може споживати струм до

0,5 А. У свою чергу струм споживання визначає потужність

розсіювання корпусом мікросхеми, тому 8-12-бітні АЦП повинні мати

на платі ефективний тепловідвід від корпусу АЦП.

1.9.3.3 АЦП послідовного наближення

АЦП послідовного наближення (рисунок 1.63, в) подібний до

слідкуючого АЦП в тому, що система ЦАП/лічильник формує напругу,

яка поступає на один вхід компаратора, а вхідний сигнал поступає на

інший вхід. Відмінність полягає в тому, що регістр послідовного

наближення виконує двійковий пошук, замість лічби вгору або вниз по

одиниці. Візьмемо для прикладу, що початкова вхідна напруга складає 3

63

В, а опорна 5 В (рисунок 1.63). Регістр послідовного наближення

виконає перетворення таким чином:

Встановити MSB, напруга на виході ЦАП дорівнює 2,5 В Вихід компаратора – високий логічний рівень, MSB залишається

встановленим.

Результат: 1000 0000 Встановити біт 6, напруга на виході ЦАП

рівна 3,75 В (2,5 + 1,25)

Вихід компаратора - низький логічний рівень, скидається біт 6. Результат: 1000 0000 Встановити біт 5, напруга на виході ЦАП

рівна 3,125 В (2,5 + 0,625)

Вихід компаратора - низький логічний рівень, скидається біт 5. Результат: 1000 0000 Встановити біт 4, напруга на виході ЦАП

рівна 2,8125 В (2,5 + 0,312 5) Вихід компаратора - високий, залишається біт 4 встановленим. Результат: 1001 0000 Встановити біт 3, напруга на виході ЦАП рівна

2,968 В (2,8125 + 0,15625)

Вихід компаратора - високий, залишається біт 3 встановленим.

Результат: 1001 1000 Встановити біт 2, напруга на виході ЦАП

рівна 3,04 В (2,968 + 0,078125) Вихід компаратора - низький, скидається біт 2.

Результат: 1001 1000 Встановити біт 1, напруга на виході ЦАП

рівна 3,007 В (2,8125 + 0,039)

Вихід компаратора - низький, скидається біт 1. Результат: 1001 1000 Встановити біт 0, напруга на виході ЦАП

рівна 2.988 В (2.8125 + 0.0195)

Вихід компаратора - високий, залишається біт 0 встановленим. Результат: 1001 1001

При використанні 8-бітного ЦАП з вихідною напругою 0...5 В,

цьому результату відповідає напруга розрахована у формулі 1.5.

2,5 + 0,3125 + 0,15625 + 0,0195 = 2,988 В (1.5)

Це не точно 3 В, але настільки близько, наскільки можна

отримати з 8-бітовим перетворенням і опорною напругою 5 В.

8-бітний АЦП послідовного наближення може завершити

перетворення за 8 тактів, незалежно від вхідної напруги. Потрібно

більше логічних кіл, ніж для слідкуючого АЦП, але швидкість

перетворення буде вища.

1.9.3.4 АЦП подвійного інтегрування

АЦП подвійного інтегрування (рисунок 1.64) використовує

інтегратор, за яким ставлять компаратор і лічильник. Вхід інтегратора

підключається до вхідного сигналу, і ємність інтегратора заряджається

до рівня вхідної напруги тієї ж полярності. Після певного числа тактів,

вхід інтегратора перемикається до джерела опорної напруги (VREF1 на

рисунку 1.64), і ємність інтегратора розряджається до величини цієї

напруги.

64

Вхід

VREF1Логіка лічби

та керування

VREF2

Вихід

Вхід VREF1Ключ

Час, t

Лічба

VREF2

VREF1

НульЛічильник

На

пр

уга

інт

егр

ат

ор

а

Час інтегрування

Інтегратор

Рисунок 1.64 – АЦП подвійного інтегрування

У той момент, коли ключ замикається на VREF1, лічильник

відраховує стільки ж тактів, скільки займав час першого інтегрування.

Коли напруга на виході інтегратора падає нижче за величину другої

опорної напруги (VREF2 на рисунку 1.64), вихід компаратора переходить у

стан високого логічного рівня, лічильник зупиняється, а значення

лічильника відповідає величині вхідної напруги. Більша вхідна напруга

дозволяє ємності інтегратора заряджатися до більшої величини протягом

часу первинного інтегрування, що приводить до більшого часу розряду

до VREF2, і до більшого вихідного значення лічильника. Менше значення

напруги на вході призводить до меншого потенціалу на ємності

інтегратора, і, відповідно, до меншого вихідного числа.

Схема з подвійним інтегруванням усуває проблеми точності

синхронізації, оскільки один і той же генератор тактових імпульсів

застосовується для завдання часу заряду ємності і для приросту вмісту

лічильника. Перетворювач з подвійним інтегруванням витрачає

відносно великий час на виконання перетворення, але властива

інтегратору фільтрація усуває шум.

65

1.9.4 Інтерфейси АЦП

1.9.4.1 Кодування вихідного слова

Наведені до цих пір приклади базувалися на двійкових кодах, де

кожен біт представляє певну величину напруги, відповідну вазі біта, а

сума напруги, відповідає сумі ваг кожного одиничного біта у вихідному

слові, і представляє величину вхідної напруги. Основні типи АЦП

представляють вихідне слово в прямому коді числа. Деякі АЦП

представляють вихідне слово в додатковому коді числа, де негативна

напруга має цифровий еквівалент у вигляді доповнення до двох

прямого коду числа. Деякі АЦП представляють вихідне слово в

двійково-десятковому коді (Binary Coded Decimal, BCD). Але таке

представлення простіше сприймається людиною, а не

обчислювальними машинами. Очевидно, що таке представлення

вимагає більшої розрядності для даного діапазону; 12-бітний двійковий

вихід представлятиме величини від 0 до 4095, а в двійково-десятковому

12-бітному виході діапазон величин зменшиться (0...3999). Даний код

(BCD) використовується в АЦП з виходом на цифрові індикатори.

1.9.4.2 Паралельний інтерфейс

АЦП що випускаються промисловістю забезпечуються різними

вихідними паралельними і послідовними інтерфейсами для роботи з

багатьма типами МК. Деякі ІС включають більш ніж один інтерфейс

для забезпечення сумісності з якомога більшою кількістю МК.

ІС МАХ151 фірми MAXIM/Dallas є типовим 10-бітним АЦП з 8-

бітним універсальним периферійним паралельним інтерфейсом для

зв'язку з МК [11, 41]. Як показано на рисунку 1.65, інтерфейс Мах151

містить 8 біт даних, виходи сигналів: CS (chip select) – «вибір

мікросхеми», RD (read strobe) – «строб-імпульс читання», BUSY –

«зайнято». Також Мах151 містить вбудований пристрій вибірки-

зберігання (ПВЗ).

На спаді імпульсу на входах і ПВЗ переходить у режим

зберігання, і стартує аналого-цифрове перетворення. У більшості

систем, що розробляються, вихід з'єднується з декодером адреси і

тому сигнал на ньому переходить в низькій логічний рівень перед

сигналом на вході . Як тільки перетворення почалося, АЦП

встановлює сигнал на виводі BUSY у низький (активний) рівень. Вивід

BUSY залишається в низькому логічному рівні до тих пір, поки не

завершиться перетворення.

66

На першій стадії роботи, яка в специфікації фірми MAXIM

називається режим повільної пам'яті (Slow Memory Mode), МК чекає,

утримуючи і на низькому рівні доки перетворення не

завершиться. Максимальний час перетворення для МАХ151 складає

2,5мкс.

Логіка

декодування

адреси

Шина даних (10 біт)

MCU

Шина даних

DB0...DB9

RD RD

CS

BUSY

N...1 N

CS

RD

BUSY

DATA

Процесор виконує

наступний цикл зі

зчитуванню даних і

стартує для виконання

нового перетворення

Режим ПЗП

NN - 1

CS

RD

BUSY

Режим повільної

пам’яті Час доступу

Нові дані доступні

через деякий час після

того, як сигнал BUSY

встановився у високий

рівеньАЦП інформує про

закінчення перетворення,

встановлюючи високий

рівень на виході BUSY

DATA

Перетворення N

стартує за спадом

фронту імпульсу на

вході RD

Перетворення N

стартує за спадом

фронту імпульсу на

вході RD

АЦП інформує про

закінчення перетворення,

встановлюючи високий

рівень на виході BUSY

ADC

AB

DB

Рисунок 1.65 – Інтерфейс ІМС MAX151

Друга стадія називається режим ПЗП (ROM mode). На цій стадії

процесор виконує цикл читання, в якому ПВЗ переходить у режим

фіксації рівня, і АЦП починає перетворення. Під час цієї стадії МК

67

зчитує результати попереднього перетворення. Сигнал не

використовується на стадії читання даних. Замість цього, вивід BUSY

з'єднується з виводами МК «запит переривань» або «почерговий опит

пристроїв» (polling) для індикації завершення перетворення.

Коли рівень BUSY стає високим, МК проводить наступне

читання, щоб отримати наступний результат і почати наступне

перетворення. Хоча в специфікаціях (data sheets) [11, 36] ці операції

відносяться до двох різних стадій роботи, АЦП працює аналогічним

чином в обох випадках:

за спадом імпульсів на входах і починається цикл

перетворення;

поточний результат стає доступний на шині після того, як

закінчився час доступу читання;

поки і залишаються в стані низького логічного рівня,

поточний результат залишається доступним на шині;

після завершення циклу перетворення, дані перетворення стають

доступні процесору; якщо і все ще залишаються в низькому

рівні, ці дані заміщають на шині результат попереднього

перетворення.

1.9.4.3 Послідовний інтерфейс SPI

Периферійний послідовний інтерфейс SPI застосовується як для

з’єднання МК між собою, так і МК з периферійними пристроями. У

одному сеансі зв'язку беруть участь лише 2 пристрої, з яких один

обов'язково МК, а інший або МК, або периферійний пристрій з

інтерфейсом SPI (АЦП, датчик, пам'ять, виконавчий пристрій). У

периферійному послідовному інтерфейсі SPI використовуються

цифрові сигнали «такти» (clock), «вибір кристала (мікросхеми)» (chip

select), «вхід даних» (data input) і «вихід даних» (data output), але немає

адресних сигналів. Дані зчитуються з виходу послідовного АЦП по біту

за такт (рисунок 1.66).

Часові діаграми

інтерфейсу SPI/

Microwire

Тактові (CLK) сигнали

Данні (DATA)

Вибір кристалу

(CS)

Рисунок 1.66 – Шина SPI

68

Кожен з пристроїв, підключених до шини SPI вимагає наявності

окремого сигналу , яким він вибирається. Два пристрої працюють в

режимі «ведучий-ведений». Дані, які потрібно передати,

завантажуються в 8-бітові регістри портів і вхід даних ведучого

пристрою з'єднується з виходом даних веденого. У свою чергу вихід

даних ведучого пристрою з'єднується з входом даних веденого. Також

підключені до МК (ведучого пристрою) останні вище перелічені ведені

пристрої, які включаються по окремих сигналах «вибір кристала» . Хоча

регістри мають по 8 біт, але при такому підключенні входів і виходів

утворюється спільний 16-бітовий регістр зсуву і крім того одночасно

передаються по двох лініях дані в обох напрямах. Зсув проводиться

тактовими сигналами від тактового генератора ведучого пристрою.

D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 S1 S0

CLK

DATA

CS

АЦП MAX1242 встановлює на

виході DOUT високий рівень,

коли перетворення завершено

Цикл перетворення

починається зі встановлення

низького рівня на вході CS

MAX1242

1

2

3

4

8

7

6

5

SCK

PORT BIT

SDI

INTR

Vdd

IN

REF

SHDN

SCLK

CS

GND

DOUT

Це з’єднання забезпечує

формування переривання,

коли перетворення закінчено

MCU

ADC

Рисунок 1.67 – Інтерфейс АЦП MAX1242

ІС МАХ1242 фірми MAXIM/Dallas є типовим прикладом АЦП з

інтерфейсом SPI. MAX1242 - 10-бітний АЦП послідовного наближення

з ПВЗ в одному 8-вивідному корпусі [11, 41]. На рисунку 1.66 наведені

часові діаграми роботи послідовного інтерфейсу ІС МAX1242. За

спадом сигналу починається перетворення, яке триває максимум 7,5

69

мкс. Після завершення перетворення на виводі (data output)

встановлюється високий логічний рівень. Процесор потім може зчитати

дані біт за бітом, синхронізуючи читання сигналами «такти» на лінії

тактових імпульсів (clock line) і керувати виводом даних на виводах

DOUT (data output) мікросхеми МAX1242. Після того, як 10 біт даних

прочитані, ІС МАХ1242 формує два службових біта (sub-bits) S1 і S0.

Після проходження 13 тактів синхронізації ІС встановлює вихід в 0, що

означає закінчення видачі даних з виводу DOUT (data output).

На рисунку 1.67 показано, як АЦП МAX1242 може бути

з’єднаний з МК за допомогою вбудованого інтерфейсу SPI.

Сигнал SCLK з АЦП Мах1242 поступає на виведення SCK SPI

МК, а вихід DOUT АЦП МАХ1242 з'єднується з SPI входом даних МК.

Один з виводів порту МК генерує сигнал CS для вибору ІС МAX1242.

Шина SPI буде недоступна для з'єднання з іншими периферійними

пристроями до тих пір, поки не закінчиться перетворення, і не буде

прочитаний результат. Якщо є підпрограми обробки переривань, що

використовують SPI-пристрої, вони мають бути заборонені під час

перетворення. Для уникнення пов'язаних з перериваннями проблем,

АЦП МAX1242 міг би звертатися до МК за допомогою спеціалізованої

(нестандартної) SPI-шини. Такий підхід вимагає використання

додатково трьох виводів МК. Оскільки більшість МК, якщо і мають, то

лише один SPI-інтерфейс. Усі необхідні часові діаграми спеціалізованої

SPI-шини мають бути виконані програмно і виведені на інший порт

(вивід) МК.

Можливо генерувати переривання МК, після того, як аналого-

цифрове перетворення завершиться. Спеціальне з'єднання для

виконання такої функції показане на рисунку 1.67. Вивід DOUT АЦП

МAX1242 з'єднується з виводом INTR («переривання») МК. Коли на CS

низький рівень, і перетворення завершене, сигнал DOUT перейде у

високий рівень, що викликає переривання на МК. Для використання

даного методу програмне забезпечення повинно заборонити або

ігнорувати переривання під час перетворення.

Іншим прикладом АЦП з SPI інтерфейсом є MCAD7823 фірми

Analog Devices [11, 12, 14, 41]. На відміну від МAX1242, АЦП AD7823

не змінює логічний рівень на виводі даних, поки МК не почне зчитувати

результат, тому шина інтерфейсу SPI може використовуватися іншими

пристроями доки йде перетворення. Оскільки немає зміни рівня на

виводі даних, то і немає спеціального сигналу для МП про те, що

перетворення завершилося. Процесор сам повинен дати старт

перетворенню, потім почекати деякий час до завершення перетворення, і,

нарешті, зчитати результат. Один з методів управління цим процесом –

70

використання регулярних переривань таймера. З кожним перериванням

результат зчитується, і починається нове перетворення.

1.9.4.4 Шина І2С

У двохнаправленій шині І2С використовується лише 2 лінії:

послідовна лінія синхронізації SCL (SCLock) і послідовна лінія даних

SDA (SDAta) [1, 6, 12]. Сигнал на лінії SCL формується процесором для

синхронізації даних периферійного пристрою. Обидва виводи (SDA і

SCL) виконуються з відкритим колектором або відкритим стоком, що

визначається типом мікросхеми: біполярна і КМОН. Вони з’єднані з

позитивним джерелом живлення через резистор навантаження за

схемою «Монтажне І» і, таким чином, декілька пристроїв можуть

одночасно використовувати шини SCL і SDA.

При передачі даних сигнал SDA можна міняти, лише тоді доки на

SCL встановлений низький рівень. Коли на SCL високий рівень,

перепади на лінії SDA з одного рівня в інший інтерпретуються як умови

«СТАРТ» і «СТОП».

SCL

SDA

SCL

SDA

SCL

SDA

Старт

Часові діаграми І С2

Стоп

Синхронізація біту

даних

7-бітне поле вибору

пристрою, який

буде приймачем

Поле адреси для вибору

внутрішньої адреси пристрою.

Довжина поля може бути різною,

в залежності від пристрою.

S R/W A A A E

Передача типового формату даних

DATA 8 біт

Рисунок 1.68 – Часові діаграми роботи шини I

2C

Якщо SDA переходить у низький, тоді як на лінії SCL високий

рівень, усі периферійні пристрої на шині сприйматимуть цю подію як

старт-умову. Якщо SDA переходить у високий, коли на SCL високий

71

рівень, генерується Стоп-умова. На рисунку 1.68 показаний приклад

типової передачі даних по шині І2С. Процесор генерує старт-умову, а

потім посилає одночасно всім периферійним пристроям адресу

довжиною 7 біт, повідомляючи пристроям, який з них вибраний, і

восьмий біт читання/записи (0 – запис, 1 – читання). 7-бітова адреса

дозволяє підключати по І2С-шині 2

7, або 128, периферійних пристроїв за

однієї умови: ємність шини не повинна перевищувати 400 пФ.

Під час передачі в першому байті восьмого біта читання/запису

(R/W) процесор встановлює напрям передачі: програмує R/W на запис

(передачу) даних від МП до периферійного пристрою, якщо цей біт

дорівнює 0. Інакше МП налаштовується на читання (прийом) даних від

периферійного пристрою з адресою, вказаною в 7 бітах. Слід відмітити,

що перші 7 біт передаються, починаючи із старшого біта і закінчуючи

молодшим бітом, і восьмим бітом передається біт R/W. Після прийому

кожного байта, включаючи адресний байт, вибраний периферійний

пристрій (приймальна сторона) по лінії SDA посилає сигнал

підтвердження на виконання функції прийому переведенням рівня на

лінії SDA в низький, щоб показати, що він прийняв адресу і умову

читання/запису.

Після прийому біта підтвердження, процесор встановлює адресу

іншого периферійного пристрою, з яким він хоче встановити зв'язок.

Довжина цього поля залежить від периферійного пристрою. Потім

приймається біт підтвердження, і передаються дані. При виконанні

операції запису процесор синхронізує вихідні 8 біт, а при читанні МП

встановлює виведення SDA як вхід і синхронізує вхідну 8-бітову

послідовність. Дані завершуються бітом підтвердження.

Деякі периферійні пристрої дозволяють зчитувати або записувати

декілька байтів за одну передачу. Процесор повторює послідовність

команд «Дані/біт підтвердження» (data/acknowledge) до тих пір, поки всі

байти не будуть передані. Периферійний пристрій збільшуватиме свою

внутрішню адресу після кожної передачі.

Відомо, що недолік шини I2C – це низька швидкість. Тактова

частота шини обмежена на рівні близько 100 кГц. Швидкість

прийому/передачі складає 100 Кбіт/с. Проте друга модифікація

інтерфейсу I2C, що називається швидкісною (Fast), працює зі швидкістю

до 400 Кбіт/с. У третій модифікації – високошвидкісний (High-speed) –

швидкість по шині I2C доходить до 3,4 Мбіт/с. Обидві Fast і High-speed

шини підтримують 10-бітний адресний простір, таким чином може бути

адресовано до 1024 пристроїв. Ці High-speed і Fast-пристрої здатні

функціонувати і в старих специфікаціях шини I2C, проте старі

периферійні пристрої не можна використовувати в системах з

підвищеною швидкістю.

72

Типовий АЦП, що використовує інтерфейс I2C, – це ІС PCF8591

фірми Philips [11, 36 ]. Ця мікросхема включає і АЦП, і ЦАП. ІС

PCF8591 містить три адресні виводи: А0, А1 і А2. Вони можуть бути

з’єднані з високим або з низьким рівнем для вибору пристрою, що

адресується. Коли декодується адреса периферійного пристрою, ІС

PCF8591 відповідатиме на адресу 1001ххх, де ххх узгоджується з

рівнями на А2, А1 і А0. Це дозволяє розмістити до восьми мікросхем

PCF8591 на одній I2C-шині.

1.9.4.5 Шина 1-Wire

Шина 1- Wіre є основою мереж MіcroLAN і розроблена

наприкінці 90- х років фірмою Dallas Semіconductor [8].

Шина 1- Wіre побудована за технологією Master/Slave. На шині

повинний бути хоча б один провідний пристрій (Master). Всі інші

пристрої повинні бути веденими (Slave). Провідний пристрій ініціює

всі процеси передачі інформації в межах шини. Master може

прочитати дані з будь-якого Slave пристрою або записати їх туди.

Передача інформації від одного Slave пристрою до іншого

безпосередньо неможлива. Для того, щоб Master міг звертатися до

кожного з ведених пристроїв по шині, кожний ведений пристрій

містить у собі індивідуальний код (ІD-код).

Протокол l-Wіre містить у собі спеціальну команду пошуку, за

допомогою якої провідний пристрій (Master) може здійснювати

автоматичний пошук ведених пристроїв. У процесі пошуку Master

визначає ІD коди для всіх підключених до мережі мікросхем. Пошук

відбувається шляхом поступового відсіювання неіснуючих адрес.

Тому для того, щоб знайти всі пристрої, що підключені до шини,

потрібно досить значний час. Середня швидкість пошуку елементів у

мережі MіcroLAN становить близько 75 вузлів за секунду.

Обмін інформацією по шині 1- Wіre відбувається за такими

правилами:

1. Обмін завжди ведеться з ініціативи одного провідного

пристрою, що у більшості випадків є мікроконтролером.

2. Будь-який обмін інформацією починається з подачі імпульсу

скидання ("Reset Pulse" або просто RESET) у лінію 1- Wіre провідним

пристроєм.

3. Для інтерфейсу 1- Wіre у загальному випадку передбачається

"гаряче" підключення й відключення пристроїв.

4. Будь-який пристрій, підключений до 1-Wіre після одержання

живлення видає в лінію DQ імпульс присутності, який називається

73

"Presence pulse". Цей же імпульс пристрій завжди видає в лінію, якщо

виявить сигнал RESET.

5. Поява в шині 1-Wіre імпульсу PRESENCE після видачі RESET

однозначно інформує про наявність хоча б одного підключеного

пристрою.

6. Обмін інформації ведеться так званими тайм-слотами: один

тайм-слот служить для обміну одним бітом інформації.

7. Дані передаються побайтно, біт за бітом, починаючи з

молодшого біта. Ймовірність переданих/прийнятих даних (перевірка

відсутності спотворень) гарантується шляхом підрахунку циклічної

контрольної суми.

На рисунку 1.69 показана діаграма сигналів RESET і PRESENCE,

з яких завжди починається будь-який обмін даними.

Шина 1-Wire

GND

VDD

МК передає імпульс RESET

480 мкс мінімум

Час реакції15-60 мкс 60-240 мкс

Пристрій передає імпульс PRESENCE

480 мкс мінімум МК находиться в стані прийому

МК утримує низький рівень Пристрій утримує низький рівень Рівень на лінії забезпечує резистор «підтяжки»

Рисунок 1.69 – Діаграма сигналів RESET і PRESENCE, з яких

завжди починається обмін даними

Імпульс RESET формує МК, що переводить в низький логічний

рівень шину 1-Wіre і втримує її в цьому стані мінімум 480

мікросекунд. Далі МК повинний "відпустити" шину. Через якийсь час,

що залежить від ємності лінії й опору резистора, що підтягує, у лінії

встановиться високий логічний рівень. Протокол 1-Wіre обмежує цей

час "релаксації" діапазоном від 15 до 60 мікросекунд, що і є

визначальним для вибору резистора, що підтягує.

Виявивши імпульс RESET, ведений пристрій (Slave) приводить

свої внутрішні вузли у вихідний стан і формує відповідний імпульс

PRESENCE, не пізніше 60 мікросекунд після завершення імпульсу

RESET. Для цього пристрій переводить у низький рівень лінію і

втримує її в цьому стані від 60 до 240 мікросекунд. Після цього

пристрій так само "відпускає" шину.

Але після завершення імпульсу PRESENCE пристрою дається ще

якийсь час для завершення внутрішніх процедур ініціалізації, таким

74

чином, МК повинен приступити до будь-якого обміну із пристроєм не

раніше, ніж через 480 мікросекунд після завершення імпульсу RESET.

Отже, процедура ініціалізації інтерфейсу, з якої починається

будь-який обмін даними між пристроями, триває мінімум 960

мікросекунд, складається з передачі від МК сигналу RESET і прийому

від пристрою сигналу PRESENCE. Якщо сигнал PRESENCE не

виявлений – значить на шині 1- Wіre немає готових до обміну

пристроїв.

Обмін бітами інформації здійснюються певними тайм-слотами.

Тайм-слот – це певна, досить жорстко лімітована за часом

послідовність зміни рівнів сигналу в лінії 1-Wіre. Розрізняють 4 типи

тайм-слотів: передача "1" від МК, передача "0" від МК, прийом "1" від

Slave пристрою, прийом "0" від Slave пристрою.

Будь-який тайм-слот завжди починає МК шляхом переведення

шини 1- Wіre у низький логічний рівень. Тривалість будь-якого тайм-

слота повинна перебувати в межах від 60 до 120 мікросекунд. Між

окремими тайм-слотами завжди повинний передбачатися інтервал не

менш 1 мікросекунди.

Тайм-слоти передачі відрізняються від тайм-слотів прийому

поводженням МК: при передачі він тільки формує сигнали, при

прийманні, крім того, ще й опитує рівень сигналу в лінії 1- Wіre.

Рисунок 1.70 демонструє часові діаграми тайм-слотів всіх 4-х типів:

угорі показані тайм-слоти передачі від МК, унизу - прийому від Slave

пристрою.

15 мкс

>1 мкс

45 мкс

Зона введення значення в МК

Зона введення значення в МК

15 мкс

>1 мкс

Шина 1-Wire

GND

VDD

Шина 1-Wire

GND

VDD

Пристрій передає «0»

15 мкс 15 мкс 30 мкс

Тайм-слот прийомуПристрій передає «1»

1 мкс < TREG < ∞

30 мкс15 мкс 15 мкс

Зона введення значення в пристрій

мін. типове макс.

60 мкс < Tx «0» < 120

1 мкс < TREG < ∞

>1 мкс

Тайм-слот передачі «0» Тайм-слот передачі «1»

Початок тайм-слоту

Початок тайм-слоту

Зона введення значення в пристрій

мін. типове макс.

Рисунок 1.70 – Часові діаграми тайм-слотів на лінії 1-Wire

75

Тайм-слот передачі "0" полягає просто в утриманні шини 1- Wіre

у низькому рівні протягом всієї тривалості тайм-слота. Передача "1"

здійснюється шляхом "відпускання" шини 1-Wіre з боку МК не

раніше ніж 1 мікросекунда після початку тайм-слота, але не пізніше

ніж 15 мікросекунд. Ведений пристрій опитує рівень у шині 1- Wіre

протягом часового інтервалу, умовно показаного у вигляді сірого

прямокутника, тобто починаючи з 15-ї мікросекунди від початку

тайм-слота й закінчуючи 60-ю мікросекундою від початку. Типовий

момент уведення рівня в пристрій – біля 30-ї мікросекунди від

початку тайм-слота.

Заштрихована область – це область "наростання" рівня в шині 1-

Wіre, що залежить від ємності лінії й опору резистора, що підтягує.

Тайм-слоти прийому інформації відрізняються тим, що МК формує

тільки початок тайм-слота (абсолютно так само, як при передачі "1"),

а потім керування рівнем шини 1- Wіre бере на себе пристрій, а МК

здійснює уведення цього рівня так само в певній зоні часових

інтервалів. Заштрихована область – область невизначеності, тому для

уведення мікроконтролеру залишається навіть не проміжок, а скоріше

конкретний момент, коли він повинен увести рівень сигналу з лінії.

Цей момент часу – 14 або 15 мікросекунда від початку тайм-слота.

Таким чином МК починає тайм слот з видачі в шину 1- Wіre "0"

протягом 1 мікросекунди. Наступний рівень залежить від типу тайм

слота: для прийому й передачі "1" рівень повинен стати високим, а для

передачі "0" - залишатися низьким аж до кінця тайм-слота, тобто не

менш 60 і не більше 120 мікросекунд. Якщо МК приймає дані, то

опитування рівня в шині він повинен зробити на проміжку від 13- й до

15- й мікросекунді тайм-слота. МК повинен забезпечити інтервал між

окремими тайм-слотами не менш 1 мікросекунди (краще - більше,

максимальне значення не обмежене).

Кожний пристрій 1-Wіre володіє унікальним ідентифікаційним

64- бітним номером, який програмується на етапі виробництва

мікросхеми.

Мережний рівень. На цьому рівні відбувається адресація

елементів на однопровідній шині. Перебуваючи на цьому рівні, всі

Slave пристрої очікують одну з команд адресації. Така команда

повинна вибрати один або кілька пристроїв, з якими Master буде

працювати на транспортному рівні. Всі команди мережного рівня

наведені в таблиці 1.5

Після того, як МК видасть команду READ ROM, від пристрою

надійде 8 байт його власної унікальної адреси – МК повинен їх

прийняти. Будь-яка процедура обміну даними із пристроєм повинна

бути завершена повністю або перервана посилкою сигналу RESET.

76

Таблиця 1.5 – Команди мережного рівня

Команда Значення

байта Опис

SEARCH ROM 0x00 Пошук адреси – використовується при

універсальному алгоритмі визначення

кількості й адрес підключених пристроїв

READ ROM

0x33 Читання адреси пристрою –

використовується для визначення адреси

єдиного пристрою на шині

MATCH ROM 0x55 Вибір адреси – використовується для

звертання до конкретної адреси

пристрою з багатьох підключених

SKІ ROM 0xCC

Ігнорувати адресу – використовується

для звертання до єдиного пристрою на

шині, при цьому адреса пристрою

ігнорується (можна звертатися до

невідомого пристрою)

Якщо відправлено команду MATCH ROM, то після її МК

повинен передати так само й 8 байт конкретної адреси пристрою, з

яким буде здійснюватися наступний обмін даними. За цією командою,

кожний пристрій порівнює передану адресу зі своєю власною. Всі

пристрої, адреси яких не збіглися, припиняють аналіз і видачу

сигналів у лінії 1- Wіre, а пристрій, що пізнав адресу, продовжує

роботу. Тепер всі дані, що передані МК, будуть попадати тільки до

цього пристрою. Які саме дані треба послати в пристрій або одержати

від нього після його адресації, залежить від конкретного пристрою.

Якщо пристрій один на шині, то можна прискорити процес

взаємодії з ним за допомогою команди SKІ ROM. Отримавши цю

команду, пристрій відразу вважає, що адреса збіглася, хоча ніякої

адреси за цією командою не треба. Деякі процедури не вимагають

прийому від пристрою ніяких даних, у цьому випадку команду SKІ

ROM можна використовувати для передачі якоїсь інформації відразу

всім пристроям.

Транспортний рівень. Всі мікросхеми мережі MіcroLAN

переходять на цей рівень після будь-якої команди мережного рівня.

Набір команд транспортного рівня для різних мікросхем трохи

відрізняється один від іншого. Приклади команд транспортного рівня

для різних типів мікросхем наведені в таблиці 1.6. Основні команди

транспортного рівня – це команди "Запис пам'яті" і "Читання пам'яті".

77

Таблиця 1.6 – Приклади команд транспортного рівня

Мікросхема Код Команда

DS1994

(4096-бітна перезаписуєма

енергонезалежна пам’ять)

0FH Запис в блокнотну пам’ять

СААН Читання блокнотної пам’яті

55Н Копіювання блокнотної

пам'яті

0F0H Читання основної пам'яті

DS2417

Годинник реального вчасу

66Н Читання часу

99Н Запис часу

DS2450 4-канальний АЦП

0ААН Читання з пам'яті результатів

перетворення напруги

55Н Запис до пам’яті команд

керування

3Ch Запуск процесу перетворення

напруги в код

DS18S20/DS18B20/DS1822

Електронні датчики

температури

44H Запуск процесу конвертування

температури в код

4ЕН Запис у блокнотну пам'ять

(меж регулювання

температури)

0ВЕН Читання блокнотної пам'яті

48Н Копіювання блокнотної

пам'яті в спеціальні осередки

внутрішньої EEPROM

0В8Н Читання інформації з

EEPROM у блокнотну пам'ять

0В4Н Читання інформації про режим

живлення

Як приклад команди транспортного рівня розглянемо команду

"Читання пам'яті". На рисунку 1.71 наведена часова діаграма

виконання команди "Читання пам'яті". Для адресації мікросхеми в

наведеному прикладі використана команда мережного рівня – "Збіг

ПЗП". Як видно з рисунку, виконання команди починається з імпульсу

скидання. Далі, всі ведені пристрої виробляють сигнал присутності на

лінії. Витримавши паузу Master пристрій видає на лінію команду

"Збіг ПЗП". Команда складається з восьми біт коду операції й 64-

бітного ІD коду. Одержавши цю команду, всі ведені мікросхеми

78

переходять на транспортний рівень. Але тільки одна з них залишиться

активною. Інші перейдуть у пасивний режим очікування.

Далі Master пристрій передає на шину команду "Читання пам'яті"

(8 біт). Одержавши цю команду, обрана мікросхема переходить у

режим видачі даних. Master пристрій читає ці дані з веденої

мікросхеми. Обсяг даних, що зчитуються, залежить від типу

мікросхеми. Найчастіше він дорівнює 8 байтам (64 біт) і обов'язково

містить контрольну суму в останніх вісьмох бітах.

Після того, як всі дані прийняті, виконання команди можна

вважати закінченим. Для того, щоб виконати наступну команду,

потрібно все починати з початку. Тобто з імпульсу початкового

скидання. Наступний імпульс скиданняІмпульс присутностіІмпульс скидання

8 біт: команда

«Збіг ПЗП»8 біт: команда

«Читання пам’яті»

Дані

читання пам’ятіКод ПЗП

Рисунок 1.71 – Часова діаграма виконання команди "Читання

пам'яті".

Структура індивідуального коду, записаного в спеціальний ПЗП

будь-якої мікросхеми, що підтримує інтерфейс 1-Wire, умовно

зображена на рисунку 1.72. Код складається з трьох основних

елементів:

8 Біт

Груповий код

48 Біт

Унікальний номер

8 Біт

Контрольна сума

CPC

Молодший розряд

Старший розряд

Рисунок 1.72 – Структура індивідуального коду мікросхеми 1 - Wire

Перші 8 біт, починаючи з молодшого розряду - це груповий код

мікросхеми. Груповий код однозначно визначає її вид. Приклади

групового коду для різних видів мікросхем наведені в таблиці 1.7.

79

Наступні 48 біт – це унікальний серійний номер мікросхеми. Останні

8 біт – це контрольна сума (CRC).

Таблиця 1.7 – Групові коди деяких видів мікросхем

Вид мікросхеми Опис Груповий код

DS18S20 Електронний термометр 10Н

DS18B20 Електронний термометр 28Н

DS18B22 Електронний термометр 22Н

DS1992 Незалежна пам'ять 08Н

DS1993 Незалежна пам'ять 0EН

DS1994 Незалежна пам'ять 04Н

DS2401 Кремневий серійний номер 01Н

DS2417 Таймер реального часу 27Н

DS2450 4-канальний АЦП 20Н

DS2890 Електронний змінний резистор 2СН

Контрольна сума або CRC – це байт, значення якого передається

самим останнім і обчислюється за спеціальним алгоритмом на основі

значення усіх семи попередніх байтів. Алгоритм підрахунку такий, що

якщо усі байти, що передаються-приймаються, без спотворень (а

спотворення цілком можливі, якщо згадати характер апаратної

реалізації інтерфейсу), прийнятий байт контрольної суми обов'язково

співпаде з розрахованим в МК (чи пристрої) значенням. Тобто при

реалізації програмного алгоритму обміну інформацією необхідно при

передачі і прийомі байтів підраховувати їх контрольну суму за певним

алгоритмом, а потім або передати отримане значення, або порівняти

розрахункове значення з отриманим значення CRC. Тільки при збігу

обох CRC МК або пристрій вважають прийняті дані достовірними.

Інакше продовження обміну неможливе.

Очевидно, що алгоритм підрахунку CRC має бути однаковим як

для МК, так і для будь-якого пристрою. Він "стандартизований" і

описаний в документації [8].

DS2450 – чотириканальний 16-розрядний аналого-цифровий

перетворювач послідовного наближення. Він містить на вході високо

імпендансний аналоговий комутатор, що підключає по черзі,

відповідно до команд, що надходять по однопровідному інтерфейсу,

вхідні сигнали від чотирьох аналогових датчиків на вхід АЦП. Рівень

вхідних напруг сигналів може бути встановлений програмно для двох

діапазонів: 2,56 В або 5,12 В. Роздільність приладу також

програмується від 1 до 16 розрядів. Швидкість перетворення

80

становить близько 80 мкс/біт. Максимально швидкість передачі даних

16,3 Кбіт/с.

Рисунок 1.73 – Схема підключення DS2450 по шині 1- Wіre

Як і всі прилади MіcroLAN, DS2450 містить ПЗП з унікальним

серійним номером, груповим кодом і контрольною сумою.

"Паразитного" живлення вистачає тільки на роботу в режимі зв'язку з

мікроконтролером. Для аналого-цифрового перетворення необхідне

підключення шини до додаткового джерела напруги 5 В або подача

живлення на вивід Vcc (рисунок 1.73).

Таблиця 1.8 – Сторінка читання-перетворення (сторінка 0)

Адреса Біт 7 Біт 6 Біт 5 Біт 4 Біт 3 Біт 2 Біт1 Біт 0

00 А А А А А А А мл .біт

01 ст. біт А А А А А А А

02 В В В В В В В мл .біт

03 ст. біт В В В В В В В

04 С С С С С С С мл .біт

05 ст. біт С С С С С С С

06 D D D D D D D мл .біт

07 ст. біт D D D D D D D

Всі регістри DS2450 розташовані в 24 сусідніх байтах і

організовані у вигляді трьох сторінок по 8 байт. Перша сторінка

(сторінка 0), названа сторінкою читання-перетворення, містить

область пам'яті, де розміщаються результати аналого цифрового

перетворення для наступного читання їхнім мікроконтролером.

Починаючи з молодшої адреси порту А, кожному порту відведено 16

біт для зберігання результату перетворення (таблиця 1.8). При подачі

живлення в усі регістри читання-перетворення за замовчуванням

81

записуються нулі. Старший значущий біт результату перетворення

завжди перебуває на фіксованому місці, незалежно від необхідної

розрядності. При розрядності менше 16 біт для формування 16 бітного

результату молодші значущі біти будуть доповнюватися нулями.

Якщо в конкретному випадку використовуються не всі чотири порти,

то для першого порту буде застосований вхід D, для другого - С й так

далі. При цьому мінімізується завантаження однопровідної шини й

скорочується час перевірки правильності передачі даних.

Керування портами й інформація про стан цих портів

розташована на сторінці 1 (таблиця 1.9). Як і у випадку сторінки

читання-перетворення, на кожний порт відведено по 16 біт. Чотири

молодших біти RC3-RC0 – двійкове подання числа перетворених біт.

Код 11112 формує 15-біт результату. У випадку повного 16 бітного

перетворення повинен бути код 00002.

Таблиця 1.9 – Сторінка керування й стану портів (сторінка 1) Адреса Біт 7 Біт 6 Біт 5 Біт 4 Біт 3 Біт 2 Біт 1 Біт 0

08 0Е-А 0С-А 0 0 RC3-A RC2-A RC1-A RC0-A

09 POR 0 AFH-A AFL-A АЕН-А AEL-A 0 IR-A

0А 0Е-В 0С-В 0 0 RC3-B RC2-B RC1-B RC0-B

0B POR 0 AFH-B AFL-B АЕН-В AEL-B 0 IR-B

0С ОЕ-С ОС-С 0 0 RC3-A RC2-A RC1-A RC0-A

0D POR 0 AFH-C AFL-C АЕН-С AEL-C 0 IR-C

0Е 0E-D 0C-D 0 0 RC-3 RC2-D RC1-D RC0-D

0F POR 0 AFH-D AFL-D AEH-D AEL-D 0 IR-D

Біти ОС (керування виходом) і ОЕ (дозвіл виходу) управляють

роботою порту на вихід. При роботі порту як аналоговий вхід (прийом

даних) біт ОЕ повинен бути встановлений в "0", при цьому стан біта

ОС ігнорується. Якщо біт ОЕ встановлений в "1", то при установці ОС

в "0" вихідний транзистор даного порту буде відкритий, а при ОС = 1 -

замкнений. Наприклад, при підключенні резистора навантаження на

"плюс" живлення, біт ОС буде безпосередньо перетворюватися в

напругу, що еквівалентна його логічному стану.

За допомогою біта ІR у другому байті керування й стану

вибирається діапазон вхідних напруг. Установка ІR в "0" дозволяє

одержати максимально можливий результат перетворення при напрузі

2,2 В. При ІR = 1 одержання такого ж результату можливо при вхідній

напрузі 5,1 В. Бітами AEL і AEH установлюється дозвіл відповіді

приладу на команду «Умовного пошуку» у випадку, коли результати

82

перетворення вище (AEH) або нижче (AEL) граничних значень.

Прапори AFL і AFH указують мікроконтролеру на перевищення

встановлених порогів при останному перетворенні. Прапори

скидаються автоматично, якщо результат нового перетворення не

виходить за встановлені межі.

Біт POR (скидання по включенню живлення) автоматично

встановлюється в "1" на увесь час виконання циклу скидання

установок приладу при включенні живлення. Поки цей біт

установлений, прилад буде відповідати на команду «Умовного

пошуку» для того, щоб повідомити мікроокнтролер про те, що дані

керування й пороги не дійсні. По завершенні циклу скидання біт POR

скидається мікроконтролером. Це може виконуватися одночасно з

установкою даних керування й порогами, при цьому мікроконтролер

записує в POR "1". У цьому випадку прилад відповідає на команду

«Умовного пошуку», але не генерує скидання.

Таблиця 1.10 – Сторінка граничних значень (сторінка 2)

Адреса Біт 7 Біт 6 Біт 5 Біт 4 Біт 3 Біт 2 Біт 1 Біт 0

10 СБМБ А А А А А А МБМБ

11 СБСБ А А А А А А МБСБ

12 СБМБ В В В В В В МБМБ

13 СБСБ В В В В В В МБСБ

14 СБМБ С С С С С С МБМБ

15 СБСБ С С С С С С МБСБ

16 СБМБ D D D D D D МБМБ

17 СБСБ D D D D D D МБСБ

СБМБ – старший біт молодшого байта; СБСБ – старший біт старшого байта;

МБМБ – молодший біт молодшого байта; МБСБ – молодший біт старшого байта.

Регістри граничних напруг кожного порту розташовані на

сторінці пам'яті 2, починаючи з молодшого біта нижнього порога. При

включенні живлення за замовчуванням установлюються: нижній поріг

- 00h, верхній поріг - FFh. Розмір порогів завжди становить 8 біт. Коли

дозвіл більше або дорівнює 8 біт, то прапор перевищення порога буде

встановлений, якщо 8 старших значущий біт результату перетворення

дає число, більше вмісту регістра AFH або менше вмісту регістра

AFL. При дозволі менш 8 біт молодші значущі біти регістрів

граничних напруг ігноруються (сторінка 2 (таблиця 1.10)).

Аналого цифорове пертворення для одного або декількох портів

виконується за командою "Перетворення" (3Ch). Перетворення займає

83

від 60 до 80 мкс на біт плюс час виходу (160 мкс) після завершення

команди перетворення. Наприклад, для чотирьох портів з

роздільністю 12-біт час виконання команди перетворення складе

4х12х80 мкс +160 мкс = 4 мс. Якщо DS2450 підключений до

зовнішнього джерела живлення через вивід Vcc, то мікроконтролер в

цей час може працювати з іншими приладами мережі. У випадку

живлення приладу від однопровідної шини мікроконтролер не може

зв'язуватися з іншими приладами, тому що він повинен забезпечити

живлення DS2450 на увесь час перетворення.

1.9.4.6 Спеціалізовані послідовні інтерфейси

Деякі АЦП оснащені своїм власним інтерфейсом. Типовим

прикладом є ІС АЦП МAX1101 фірми MAXIM/Dallas [11]. Це 8-бітовий

АЦП, що призначений для роботи з приладами із зарядовим зв'язком

(ПЗЗ). АЦП МAX1101 для забезпечення інтерфейсу використовується

4 виводи: MODE («режим роботи»), LOAD («навантаження»), DATA

(«дані») і SCLK («такти»). Сигнал на виводі MODE визначає,

записуються або зчитуються дані (1 – читання, 0 – запис). Вивід DATA

– двохнаправлений, сигнал SCLK синхронізує дані, що зчитуються або

записуються в пристрій, а вивід LOAD використовується після

процедури запису для синхронізації запису даних у внутрішні регістри.

Синхронний послідовний інтерфейс ІС МAX1101 подібний SPI, але,

оскільки відсутній сигнал «вибір кристала» (chip select), на шині не

може бути використано багато периферійних пристроїв. Кожен АЦП

МAX1101 потребує чотирьох ліній зв'язку з МП.

Проблема використання будь-якого послідовного інтерфейсу

для АЦП в тому, що послідовний інтерфейс обмежує швидкість

перетворення. Окремі види послідовних інтерфейсів вносять

додаткові часові обмеження. Оскільки прилади обмінюються даними

по шині I2C розрядністю слова, принаймні, 20 біт, 1-Ware, I

2C-

пристрій не в змозі досягти швидкості подібного SPI-пристрою. З цієї

причини випускається набагато більше АЦП з інтерфейсом SPI, ніж

I2C.

Необхідна пропускна здатність послідовного інтерфейсу диктує

умови вибору інтерфейсу. Якщо необхідно досягти швидкості

перетворення 100000 вибірок/с по 8 біт при використанні програмно

сформованого SPI-інтерфейсу, тоді слід врахувати, що МК не зможе

витратити більш ніж 1/(100000x8), або 1,25 мкс, на кожен біт. Може

виявитися неможливим виконання процесором яких-небудь інших

операцій, після чого перевага може буде надана АЦП з паралельним

інтерфейсом або МК з апаратною підтримкою SPI.

84

РОЗДІЛ 2 РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ

МІКРОКОНТРОЛЕРІВ

2.1 Середовища розробки програмного забезпечення для

мікроконтролерів AVR

Процес написання програм для МК AVR як і для будь-яких

інших МК, складається з декількох етапів:

– підготовка вихідного тексту програми на якій-небудь мові

програмування;

– компіляція програми;

– налагодження й тестування програми;

– остаточне програмування й підготовка до серійного

виробництва.

Мікропрограма пристрою повинна бути написана на одній з мов

програмування.

На даний час для МК AVR існують декілька мов програмування,

а також різних засобів підтримки розробки, що використовують одну

мову, але різняться за функціональністю.

На кожному з етапів необхідне застосування спеціальних

програмних й апаратних засобів. Варто відзначити, що базовий набір

програмного забезпечення (компілятор асемблера, ПЗ для

програмування) поширюється фірмою Atmel безкоштовно. Однак за

досить довгий період часу, що пройшов з моменту появи цих МК,

з'явилася велика кількість програмного забезпечення сторонніх

виробників.

2.1.1 Компілятори асемблера

Вибір компілятора асемблера є найменш принциповим

питанням, оскільки сам процес компіляції (перетворення вихідного

тексту програми в машинний код) виконується досить однозначно.

Власне, всі відмінності між асемблерами полягають у можливостях

процесора, що обробляє макрокоманди, наявності текстового

редактора або середовища розробки й типу операційної системи, що

підтримується

AVR Studio

Досить вдалим вибором при розробці програмного забезпечення

для МК сімейства AVR може послужити інтегроване середовище

розробки AVR Studio фірми Atmel [3, 9, 19, 20, 24, 58, 68], що містить

85

у собі текстовий редактор з підсвічуванням синтаксису, компілятор

асемблера, симулятор, відладчик й інтерфейс із апаратними

емуляторами. Програма розрахована на роботу під керуванням

операційних систем Windows 9x, 2000, XP, Vista. До недоліків AVR

Studio можна віднести деяку нестабільність роботи налагоджувача, а

також неповну симуляцію периферійних пристроїв (зокрема, відсутня

симуляція АЦП). До плюсів же відноситься, у першу чергу, підтримка

практично всіх МК сімейства AVR.

IAR AVR Assembler

Atmel безкоштовно розповсюджує асемблер фірми IAR. Даний

компілятор є частиною IAR Embedded Workbench [19, 52] –

середовища розробки, що включає в себе менеджер проектів,

редактор, лінкер і менеджер бібліотек. Цей компілятор відрізняється

розширеними можливостями по роботі з макросами.

GNU/Linux AVR Assembler

Цей асемблер, будучи повністю сумісним зі компілятором

фірми Atmel, має в порівнянні з ним кілька переваг. По-перше, він

поставляється з відкритими текстами, так що користувач, якщо буде

потреба, може легко додати нові можливості. По-друге, це один з

декількох асемблерів для МК фірми AVR, що працюють під

керуванням операційної системи Linux (крім того, наявність вихідних

текстів дозволяє легко перенести його на будь-яку іншу Unix-

систему). У GNU AVR Assembler значно розширені, у порівнянні з

асемблером фірми Atmel, можливості по роботі з макрокомандами

(зокрема, допускаються макроси усередині макросів). Програма

поширюється за умовами GNU Public License (GPL) [3, 17, 45].

2.1.2 Компілятори мови C

Останнім часом усе популярніше стає використання

компіляторів мов високого рівня при написанні програм для МПС.

Найбільше поширення при цьому одержали компілятори мови C,

оскільки в цій мові найбільш просто реалізуються всі необхідні

можливості по керуванню апаратними засобами МК.

IAR C Compiler

Компілятор фірми IAR, як загальновизнано, є одним із кращих

компіляторів C для МК сімейства AVR. Пов'язано це з наявністю в

86

ньому можливостей з оптимізації коду. Істотним його недоліком є те,

що у демонстраційній версії накладаються значні обмеження на

максимальний обсяг коду. Компілятор поставляється у складі

інтегрованого середовища розробки IAR Embedded Workbench (EWB),

що включає в себе також компілятор асемблера, лінкер, менеджер

проектів і бібліотек, а також відладчик. Він може працювати сумісно з

AVR Studio.

Image Craft C Compiler

Image Craft C Compiler [19, 43, 47, 58, 68] є другим за

популярністю компілятором мови C для МК сімейства AVR. До

переваг цього компілятора можна віднести можливість підтримки

мікросхем сімейства FPSLIC фірми Atmel, непоганий рівень

оптимізації коду й досить низька ціна. Демо-версія компілятора не

містить функціональних обмежень і лімітована тільки часом роботи

(30 днів).

CodeVision AVR C Compiler

Іншим популярним компілятором мови C для МК сімейства

AVR є Code Vision AVR C Compiler [47, 68]. Компілятор підтримує

мікроконтролери ATTiny22, AT90S23x3, AT90S4433 та багато інших.

Демонстраційна версія компілятора, так само, як і компілятор фірми

IAR, має обмеження на максимальний обсяг коду програми.

Компілятор поставляється разом з інтегрованим середовищем

розробки, у яку крім стандартних можливостей, включена досить

цікава функція - CodeWizardAVR Automatic Program.

Фактично це генератор стандартних блоків програми, що

виконує такі функції:

– настроювання доступу до зовнішньої пам'яті;

– ініціалізація портів введення/виведення, зовнішніх переривань,

таймерів, сторожового таймера;

– ініціалізація асинхронного порту послідовної передачі даних

(UART) і прийом, передачу даних через UART;

– настроювання аналогового компаратора й АЦП;

– ініціалізація шини I2C і підключених до неї температурного

датчика LM75 або годинника реального часу PCF8583, DS1302,

DS1307;

– реалізація протоколу 1-Wire Bus й ініціалізація температурного

датчика DS1820;

– керування LCD-індикатором.

87

Наявність цієї можливості спрощує написання програм.

Наявність у середовищі розробки послідовного термінала дозволяє

робити налагодження програм з використанням послідовного порту

UART МК.

2.1.3 Компілятори Basic та Pascal

Крім C при розробці програмного забезпечення для МПС

застосовуються й інші мови високого рівня. Так, для МК сімейства

AVR існують також компілятори мов Basic, Pascal і Forth [19, 47, 52].

BASCOM-AVR

Компілятор мови Basic, розроблений фірмою MCS Electronics. Є

демо-версія з обмеженням на обсяг коду програми. За вхідним кодом

компілятор практично повністю сумісний з компіляторами Visual

Basic/Quick Basic фірми Microsoft. У синтаксис мови додано кілька

нових команд для забезпечення підтримки LCD-індикаторів, I2C й 1-

Wire інтерфейсів, обробки переривань й інших специфічних для МК

можливостей.

ABC Basic Compiler

Розроблений фірмою Investments Technologies PTY, дозволяє

писати й налагоджувати програми мовою Basic в інтегрованому

середовищі розробки. Існують версії компілятора як під Windows, так

і під DOS.

Microbasic i Mikropascal

Microbasic i Mikropascal є потужними середовищами

програмування для МК AVR.

Дані середовища створені для полегшення роботи користувача і

поліпшення можливості роботи з МК сімейства AVR.

Вони дозволяють:

– писати код Basic та Pascal за допомогою редактора коду;

– використовувати бібліотеки для прискорення роботи з

даними, пам’яттю, індикаторами, периферійними

пристроями;

– бачити структуру програми, змінні і функції у редакторі

коду, генерувати прокоментовану, зрозумілу людині

програму і сумісну з НЕХ- файлами для будь яких програм.

88

2.2 Програмування мовою асемблера в середовищі AVR

Studio

2.2.1 Створення програм у AVR Studio 3.0

Для створення нового проекту необхідно вибрати у головному

меню Project (Проект)|New... (Новий). У вікні, що з’явилося, в рядку

Project name (Ім'я проекту) треба ввести ім'я нового проекту,

наприклад “new”. Далі, натиснувши лівою кнопкою мишки на рядку

AVR Assembler, вибрати тип проекту (рисунок 2.1). Натиснути

кнопку OK.

Рисунок 2.1 – Вікно вибору типу проекту

У вікні, що утворилось, необхідно натиснути правою кнопкою

мишки на стрічці Assembler Files, у меню, що з'явилося (рисунок 2.2)

натиснути лівою кнопкою мишки на стрічці Add File... (Додати

файл).

Рисунок 2.2 – Список файлів проекту

У вікні Open file необхідно створити порожній текстовий файл,

змінити ім'я файлу майбутньої програми та надати йому розширення

89

.asm. Таким чином буде створений порожній файл робочої програми з

розширенням .asm. Якщо у вас вже існує файл програми (з

розширенням .asm ), тоді у вікні Open file треба вибрати цей файл.

Для того, щоб зробити створений файл основним необхідно

натиснути правою кнопкою мишки на імені створеного файлу в вікні

проекту, а потім у меню, що з'явилося натисніть лівою кнопкою

мишки на рядку Assembler entry file (рисунок 2.3). Тепер необхідно

відкрити створений файл, двічі натиснувши на ньому лівою кнопкою

мишки у вікні проекту. У вікні, що з'явилось можна набирати текст

програми.

Рисунок 2.3 – Вибір основного файлу

Після введення тексту програми необхідно натиснути клавішу

F7, щоб провести компіляцію програми. Після цього з’являється вікно

(рисунок 2.4), в якому міститься інформація про вірність написаної

програми. При виявлені помилок повідомляється про всі рядки, в яких

виявлено помилки. Натиснувши на рядок, в якому повідомляється про

помилку, потрапимо в те місце програми, де виявлено помилку.

При завершені компіляції без помилок, тобто в вікні (рисунок

2.4), нижній рядок буде мати вигляд Assembly complete with no errors

(програма відкомпільована без помилок), можна приступити до

відлагодження роботи програми.

Після натиснення клавіші F11, почнеться процес відлагодження.

Для перегляду результатів роботи програми із меню View (Вид) треба

викликати вікна Registers (Регістри), Processor (Процесор), New

Memory View (Новий вид пам’яті). Вікно Registers відображає

поточний зміст регістрів загального призначення R0-R31. Вікно

Processor відображає поточне значення регістрових пар (X, Y, Z),

значення програмного лічильника, значення покажчика стеку та всіх

восьми прапорців регістру стану.

90

Рисунок 2.4 – Вікно результатів компіляції коду програми

Вікно New Memory View, залежно від обраного режиму,

відображає поточний зміст пам'яті даних, пам'яті програм, пам'яті

введення-виведення, пам'яті EEPROM. Робоче вікно програми набуде

вигляду (рисунок 2.5):

Рисунок 2.5 – Робоче вікно програми

При натисканні клавіші F11 (Trace into) відбувається виконання

поточних команд, що відображається відповідними змінами у вікнах.

Компілятор працює з вихідними файлами, що містять інструкції,

мітки і директиви. Інструкції і директиви, як правило, мають один чи

декілька операндів.

91

Примітка. Рядок коду не повинен бути довшим 120 символів.

Будь-який рядок може починатися з мітки, що є набором символів та

закінчується двокрапкою. Мітки використовуються для вказівки

місця, у яке передається керування при переходах, а також для

завдання імен змінних.

Вхідний рядок може мати одну з чотирьох форм:

– [мітка:] директива [операнди] [Коментар];

– [мітка:] інструкція [операнди] [Коментар];

– коментар;

– порожній рядок.

Коментар починається після крапки з комою (;) і до кінця рядка

ігнорується компілятором.

2.2.2 Робота з графічним інтерфейсом користувача AVR

STUDIO 4

Після завантаження AVR STUDIO 4, з'явиться діалогове вікно.

Для створення нового проекту треба натиснути [Create New

Project](Створити новий проект).

Рисунок 2.6 – Встановлення налаштувань проекту

Другим етапом є встановлення налаштувань проекту.

На даному етапі задаються розширення, назва й адреса файлу,

що створюється (рисунок 2.6). Для цього необхідно виконати такі дії:

– у вікні Project type необхідно обрати Atmel AVR Assembler;

– у вікні Project Name необхідно ввести ім’я проекту та для

створення нового файлу встановити прапорець Create initial File;

– вказати шлях збереження файлів проекту.

92

Третім етапом є вибір системи налагодження.

Програмне забезпечення AVR STUDIO 4 має у своєму складі

програми налагодження для широкого спектру задач (рисунок 2.7),

що передбачає:

– вибір вбудованого симулятора - налагоджувача;

– вибір пристрою, для якого створюється програма.

Рисунок 2.7 – Вибір симулятора та мікроконтролера

Четвертим етапом є написання програми.

На початку даного етапу необхідно зберегти створений файл

кнопкою “Save” у файловому меню.

Після введення тексту програми необхідно натиснути клавішу

F7, щоб провести компіляцію програми. Після цього з’являється

вікно, у якому міститься інформація про вірність написаної програми.

При виявлені помилок повідомляється про всі рядки, у яких виявлено

помилки.

Натиснувши на рядок, у якому повідомляється про помилку, в

робочій програмі буде показано місце, де виявлено помилку.

При завершені компіляції без помилок, тобто у вікні (рисунок

2.4), нижній рядок буде мати вигляд Assembly complete with no errors

(програма відкомпільована без помилок). Тепер можна приступати до

відлагодження роботи програми (аналогічно як для AVR STUDIO 3).

93

2.3 Програмування мовою С у середовищі WinAVR

2.3.1 Створення файлу вихідного тексту програми

Відкрийте програму Programmers Notepad (PN), що входить до

складу WinAVR та виберіть новий C/C++ файл (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 – Створення нового файлу в редакторі Programmers

Notepad

Створіть папку проекту, наприклад D:\prj. У PN наберіть код

і збережіть файл у папку проекту під ім’ям simple.c.

#include <avr/io.h>

#include <stdint.h>

// Підключення необхідних бібліотек

void main(void)

{

MCUCR = 0xA0; //Дозволити роботу зі зовнішньою

пам'яттю

unsigned char* const pLeftInd = 0xA000;

//Покажчик на комірку пам'яті за адресою 0xA000

*pLeftInd = 0x66;

while (1)

{

// Нескінчений цикл

}

}

94

2.3.2 Створення makefile

Для компіляції програми в середовищі WinAVR

використовується один з найпотужніших і найгнучкіших компіляторів

– GCC. І саме через свою універсальність він має дуже багато

налаштувань, котрі для компіляції програми можна кожний раз

вводити через командний рядок, а можна один раз записати у

спеціальний makefile.

Після компіляції буде створено об’єктний файл у форматі

операційної системи Linux (ELF). Цей об’єктний файл необхідно

перетворити в формат HEX. Ця дія забезпечується за допомогою

лінковщика, який в свою чергу може бути викликаний з командної

стрічки, або керуватися настройками makefile. Тож, найкращий вихід

побудови файлу програми – це побудова з використанням makefile.

Створити makefile можна або вручну, або за допомогою

спеціального генератора.

Мейкфайли для мікро контролерів AVR є специфічними, і тому

для успішного налаштування необхідно змінити лише декілька

параметрів.

У ролі генератора мейкфайлів буде використовуватись опція

Mfile. Для створення makefile проекту виконуються такі кроки:

1. Завантажуємо програму Mfile (входить до складу WinAvr) і

вибераємо тип МК (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 – Вибір типу мікроконтролера для створення makefile

95

2. У меню Output format виберіть ihex (Intel HEX)

3. У меню C standard level – gnu99

4. Збережіть файл у директорію проекту. Файл обов’язково

повинен мати ім’я makefile

5. Додайте до makefile запис про вихідний текс програми, що

знаходиться в файлі simple.c.

Рисунок 2.10– Настройки makefile

Зробити це можна за допомогою діалогу, що викликається при

виборі пункту меню C/C++ source file(s). Але ця частина програми

працює не завжди коректно, і тому, якщо змін файлу не сталося (зміни

у makefile підсвічуються жовтим кольором), цей параметр потрібно

встановити вручну. Для цього поставте прапорець на пункті меню

Makefile Enable Editing of Makefile.

Знайдіть параметр TARGET, та встановіть його значення:

TARGET = simple.

Знайдіть параметр SRC і встановіть його значення:

SRC = simple.c.

Приберіть значення параметру CPPSRC.

Необхідні настройки зображені на рисунку 2.10.

Збережіть вміст makefile.

96

2.3.3 Компіляція та лінковка

Після виконаних дій у директорії проекту з’являться 2

потрібних файли (рисунок 2.11): simple.c і makefile.

Рисунок 2.11 – Файли проекту

Рисунок 2.12 – Виконання make clean

Тепер потрібно створити виконуваний файл програми (ihex), що

зрозумілий МК:

1. Відкривається вихідний текст програми в редакторі PN.

2. Вибираємо пункт меню Tools [WinAVR] Make Clean

(рисунок 2.12)

Ця дія запускає спеціальну утиліту make, що згідно з

параметрами повинна очистити всі зайві файли, що могли залишитися

від попередньої компіляції.

Під час виконання команди, в нижній частині PN, з’явиться

вікно “Output” (рисунок 2.13), що буде інформувати про хід

97

виконання команди.

Операція вважається успішною, якщо ви побачите внизу

стрічку:

“> Process Exit Code: 0”

Якщо значення Process Exit відмінне від нуля – це означає, що

сталася помилка. Для операції "make.exe" clean, помилку потрібно

шукати у неправильній конфігурації мейкфайлу.

Рисунок 2.13 – Результати роботи операції "make.exe" clean

Якщо операція пройшла успішно, то виконуємо побудову

виконуваного фала. Для цього виберіть пункт Tools [WinAVR]

Make all. Якщо результат компіляції успішний, тобто “Process Exit

Code: 0” – це означає, що необхідний hex файл був побудований без

помилок.

Інакше – помилки знаходяться у тексті програми. Всю

необхідну інформацію про місце виникнення помилки можна

дізнатися з вікна “Output”.

Компіляція та лінковка програми завершена. Якщо результат

операції був успішним, то в директорії проекту з’являться такі нові

файли:

– simple.eep – містить інформацію, що буде скопійована в

EEPROM;

98

– simple.elf – об’єктний файл. Саме на основі інформації цього

файлу буде створений виконуваний файл;

– simple.hex – виконуваний файл. Програма в кодах МК;

– simple.lss – містить інтерпретацію відкомпільованої програми

на мові Асемблер;

– simple.map, simple.sym – допоміжні файли, що описують хід

компіляції та лінковки проекту.

2.4 Програмування мікроконтролерів AVR у середовищі

MicroBasic та MicroPascal

2.4.1 Редактор коду

Редактор коду являє собою звичайний текстовий редактор.

Особливостями редактору є: синтаксична система виділення; кодовий

„Помічник”; кодові шаблони; автокорегування; система закладок і

переходів по мітках.

Ці опції можна налаштувати через вікно Редактора

Налаштувань. Tools options from the Drop-down menu, або

натиснути іконку Tools (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 – Налаштування редактора коду

Кодовий „Помічник” [CTRL+SPACE]

Якщо надрукувати кілька перших літер слова і натиснути

комбінацію [CTRL+SPACE], то всі можливі комбінації продовження

будуть виведені на екран (рисунок 2.15). Можна вибрати потрібну

99

команду, за допомогою клавіш стрілок і клавіші ENTER, замість того,

щоб її набирати на клавіатурі.

Рисунок 2.15 – Кодовий «Помічник»

„Помічник” параметру [CTRL+SHIFT+SPACE]

„Помічник” параметру буде автоматично з’являтись коли

відкриваються дужки або натискається комбінація

[CTRL+SHIFT+SPACE]. Якщо назва функції іде поперед дужки, тоді

будуть запропоновані параметри, що очікуються, на спливаючій

панелі. Якщо вводиться потрібний параметр, то наступні

запропоновані параметри зникнуть.

Рисунок 2.16 – Помічник параметрів

Шаблони коду[CTR+J]

Можна вставляти шаблони, написавши їх назву, а потім

натиснути [CTR+J], і редактор автоматично згенерує потрібний код.

Можна натиснути кнопку меню Code і вибрати потрібний шаблон.

Можна додавати власні шаблони. Виберіть Tools > Options або

Tools з Settings Toolbar, а потім виберіть Auto Complete Tab, де можна

ввести ключове слово, опис і сам Код шаблону.

Автокорегування

Система автокорегування виправляє деякі помилки при наборі

коду. Щоб зайти до списку розпізнавання помилок, виберіть Tools >

Options або Tools з Settings Toolbar, а потім виберіть Auto Correct

Tab. Можна додати свої зміни до списку.

100

Коментування

Редактор коду дає можливість коментувати окремі частини коду

за допомогою простого натискання на кнопку Comment/Uncomment з

Code toolbar (рисунок 2.17).

Рисунок 2.17 – Кнопка Comment/Uncomment

Закладки

Закладки дозволяють полегшити навігацію у великій програмі.

Для зручності використовуються закладки: CTRL+<номер> – перейти

до закладки (Goto bookmark); CTRL+SHIFT+ <номер> – встановити

закладку (Set bookmark)

Диспетчер коду(Code Explorer)

Диспетчер коду розміщено (за замовчуванням) у лівій частині

головного вікна, він показує кожну оголошену частину коду, можна

перейти до будь-якої його частини, або скористатись системою

пошуку оголошених частин. Щоб розкрити або звернути „дерево”

диспетчеру коду потрібно скористатись відповідними клавішами

(рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 – Кнопка для згортання/розгортання дерева

Також, можна викликати два і більше вікна у Диспетчері коду.

Закладка QHelp містить усі вбудовані і бібліотечні функції, подвійний

клік відкриває вікно Help. Закладка Keyboard містить список усіх

„Гарячих” комбінацій клавіш (рисунок 2.19).

2.4.2 Налагоджувач

Налагоджувач (Debugger) це інтегрований компонент

середовища програмування MicroBasic/MicroPascal. Його призначення

симулювати операції, що виконує МК AVR і відлагодити програмного

забезпечення написаного для цих пристроїв.

101

Рисунок 2.19 – Закладки Qhelp та Keyboard

Після написання програми можна запустити налагоджувач

натисненням кнопки Run >Debug або натисненням на іконку Debug.

Запуск налагоджувача дає доступ до опцій: крок вперед, крок

назад та інших. Рядок, що виконується, виділяється.

Таблиця 2.1 – Призначення кнопок роботи з налагоджувачем

Кнопка Призначення

Налагодження запускається клавішею F9

Пауза/Стоп налагодження F6

Виконує одну операцію записану в рядку і зупиняє

подальше виконання програми F7.

Виконує перехід через цикл і зупиняється на першій

команді що слідує за ним F8.

102

Продовження таблиці 2.1

Кнопка Призначення

Виконує всі інструкції до поточного положення курсору

F4.

Установка точки переривання на даній позиції курсору,

для перегляду всіх точок переривань виберіть Run>View

Breakpoints, подвійний клік на вибраній точці показує її

місцезнаходження.

Вікно перегляду

Вікно перегляду налагоджувача це вікно, що дозволяє

відслідковувати роботу програми.

Для вибору Вікна виберіть View Debug Windows Watch

Window (рисунок 2.20).

Рисунок 2.20 – Вікно перегляду

Вікно перегляду показує змінні, регістри МК, з їхніми адресами

і змістом, зміст оновлюється протягом роботи програми. Можна

використовувати меню для виведення інших даних, змінені дані

виділяються червоним.

Подвійний клік на значенні виводить вікно у якому можна

змінити його, також змінити на інші системи числення.

Вікно таймера

Вікно таймера налагоджувача можна викликати вибравши View

Debug Windows View Clock (рисунок 2.21). Вікно таймера

відображає час від останньої дії. Таймер відображає час виконання

103

(кількість циклів) з моменту запуску налагоджувача і може бути

скинутим у будь-який момент. Delta показує кількість циклів між

попереднім рядком і поточним.

Рисунок 2.21 – Вікно таймера

Можна змінювати частоту роботи МК але це ніяк не

відобразиться на роботі програми.

2.4.3 Вікно помилок (Error Window)

У випадку виникнення помилок під час компіляції, компілятор

інформує про них і не створюється НЕХ файл.

Вікно помилок розміщено внизу головного вікна (рисунок 2.22).

Воно вказує розміщення і тип помилки, що знайшов компілятор.

Рисунок 2.22 – Вікно помилок

Подвійний клік на повідомленні показує рядок де знаходиться

помилка.

2.4.4 Статистика

Після закінчення компіляції можна переглянути статистику

вашої програми. Виберіть Project view Statistics, або натисніть на

іконку Statistics. Вікно містить шість закладок, що відображають

використання динамічної і постійної пам’яті; дерево переривань

104

відповідно до кожної процедури і функції: розмір, початкова і кінцева

адреси; зміст усіх регістрів, їхні адреси, назви змінних і їх адреси;

зміст постійної пам’яті МК

2.4.5 Інтегровані інструменти

До складу MikroBasic/ MicroPascal входить синхронно-

асинхронний приймач-передавач. Його можна запустити за

допомогою меню Tools Terminal (рисунок 2.23).

Рисунок 2.23 – Синхронно-асинхронний приймач-передавач

До складу MikroBasic/ MicroPascal входить таблиця ASC II, яка

корисна для роботи з рідинно – кристалічним індикатором.

Викликається таблиця через меню Tools ASCII chart (рисунок 2.24).

Рисунок 2.24 – Таблиця ASCII

105

До складу MikroBasic/ MicroPascal входить декодер для 7-

сегментного індикатора, що показує цифровий еквівалент коду

(рисунок 2.25).

Рисунок 2.25 – Вікно декодера 7-сегментного індикатора

2.4.6 Гарячі клавіші (Keyboard Sortcuts)

Основні комбінаці гарячих клавіш, які використовуються у

MicroBasic/ MicroPascal наведені у таблицях 2.2 – 2.5.

Таблиця 2.2 – Гарячі клавіші інтегрованого середовища

розробки (IDE Shortcuts)

Таблиця 2.3 – Гарячі клавіші базового редактора (Basic Editor

shortcuts)

Комбінація клавіш Призначення

F3 Знайти, знайти наступне (Find, Find Next)

CTRL+A Виділити все (Select All)

CTRL+C Копіювати (Copy)

CTRL+F Знайти (Find)

Комбінація клавіш Призначення

F1 Допомога (Help)

CTRL+N Новий елемент (New Unit)

CTRL+O Відкрити (Open)

CTRL+F9 Компілювати (Compile)

CTRL+F11 Ввімкнути/вимкнути провідник коду (Code

Explorer on/off)

CTRL+SHIFT+F5 Показати мітки (View breakpoints)

106

Продовження таблиці 2.3

Комбінація клавіш Призначення

CTRL+P Друкувати (Print)

CTRL+R Перемістити (Replace)

CTRL+S Зберегти елемент (Save unit)

CTRL+SHIFT+S Зберегти як (Save As)

CTRL+V Вставити (Paste)

CTRL+X Вирізати (Cut)

CTRL+Y Повторити (Redo)

CTRL+Z Відмінити (Undo)

Таблиця 2.4 – Гарячі клавіші покращеного редактора (Advanced

Editor shortcuts)

Комбінація клавіш Призначення

CTRL+SPACE Помічник коду (Code Assistant)

CTRL+SHIFT+SPACE Помічник параметрів (Parameters Assistant)

CTRL+D Знайти декларування (Find declaration)

CTRL+G Перейти до стрічки (Goto line)

CTRL+J Вставити шаблон коду (Insert Code Template)

CTRL+<номер> Перейти до закладки (Goto bookmark)

CTRL+SHIFT+<номер> Встановити закладку (Set bookmark)

CTRL+SHIFT+1 Вирізати виділене (Indent selection)

CTRL+SHIFT+U Вставити виділене (Unindent selection)

CTRL+ALT+SELECT Виділити колонки (Select columns)

Таблиця 2.5 – Гарячі клавіші налагоджувача (Debugger shortcuts)

Комбінація клавіш Призначення

F4 Перейти до курсору (Run to Cursor)

F5 Встановити мітку (Toggle breakpoint)

F6 Старт/Пауза налагоджувача (Run/Pause

Debugger)

F7 Крок в (Step into)

F8 Крок над (Step over)

CTRL+F8 Крок з (Step out)

F9 Налагоджувач (Debug)

CTRL+F2 Скидання (Reset)

CTRL+F5 Додати до списку спостереження (Add to watch

list)

CTRL+F6 Показати лічильник (View Clock)

SMIFT+CTRL+F6 Показати ОЗП (View RAM)

SHIFT+F6 Змінити ОЗП (Edit RAM)

107

2.4.7 Проекти (Projects)

MicroBasic/ MicroPascal створює проекти, які складаються з

файлу проекту (.abp) і одного або більше основних файлів (.abas/

.apas). Можна компілювати основні файли тільки якщо вони є

частиною проекту.

Проект несе таку інформацію: назву проекту і опис на

лаштувань, робочий пристрій, таймер пристрою, список основних

файлів

2.4.8 Основні файли (Source files)

Основні файли повинні мати розширення .abas/ .apas. Список

основних файлів зберігається у файлі проекту

При підключенні нового основного файлу програма шукатиме

його спочатку в папці де встановлено програму, а потів у директорії

введеній користувачем.

2.4.9 Компіляція (Compilation)

Коли створений проект і написаний основний файл його

необхідно його скомпілювати. Процес компіляції може бути

перерваний у випадку якщо компілятор виявив помилки у коді.

Основні відомості, що стосуються компіляції наведені у таблиці 2.6.

Таблиця 2.6 – Вихідні файли

Тип файлу та

розширення

Призначення

НЕХ-файл (.hex) Файл для програмування МК

Двійкова бібліотека (.mc1) Може підключатись до інших проектів

Список (list-file) (.lst) Опис розподілу пам’яті

Файл асемблера (.asm) Код на мові асемблер

2.5 Програмування мікроконтролерів AVR у середовищі

AVR Builder

2.5.1 Середовище розробки AVR Builder

Середовище призначене для створення повного циклу розробки.

Розробка програми може виконуватись як на рівні асемблера, так і на

макрорівні з маніпуляцією багатобайтними величинами зі знаком.

На відміну від класичного асемблера, програма вводиться у

108

вигляді алгоритму з деревоподібними розгалуженнями і

відображається на площині у двох вимірах. Мережа умовних і

безумовних переходів відображається графічно у зручній векторній

формі. Вся логічна структура програми стає наглядною.

Візуальність логічної структури зменшує ймовірність помилок і

скорочує строки розробки.

За оцінкою користувачів, у порівнянні із класичним асемблером,

час на розробку програмного забезпечення скорочується в 3-5 разів.

Для налаштування периферійних пристроїв (таймери, UART,

ADC, SPI і т.п.) передбачений спеціальний елемент алгоритму –

"настроювач" з віконним інтерфейсом. У ньому досить вибрати

необхідні параметри роботи пристрою, а набір інструкцій, що

забезпечують ці параметри, сформує компілятор (у правій частині

вікна).

Підтримується автоматичне перекодування рядків ANSI-кодів

Windows в коди русифікованого буквено-цифрового рідинно -

кристалічного індикатора.

Середовище поєднує в собі графічний редактор, компілятор

алгоритму, симулятор МК та програматор. При використанні

програматора МК підключається до COM порту комп'ютера через

нескладний адаптер. Algorithm Builder забезпечує моніторне

відлагодження на кристалі (On Chip debug), що дозволяє спостерігати

вміст реального кристала в заданій точці зупину. При цьому, для

зв'язку МК з комп'ютером використається тільки один вивід, на вибір

користувача. Моніторне відлагодження може бути застосована до

будь-якого типу кристала, що має SRAM.

Середовище призначене для роботи з операційною системою

Windows 98/2000/NT/ME/XP.

2.5.2 Розробка програмного забезпечення за допомогою AVR

Builder

Будь-яке програмне забезпечення можна розбити на окремі

логічно завершені фрагменти. Як правило, кінцевим оператором цих

фрагментів є такі оператори, як безумовний перехід або повернення з

підпрограми, тобто оператори, після яких лінійне виконання програми

однозначно припиняється. Розробка програмного забезпечення в

середовищі Algorithm Builder зводиться до формування таких блоків,

розміщення їх на площині й установлення між ними векторних

зв'язків з умовних і безумовних переходів.

Основний інтерфейс програми зображено на рисунку 2.26.

109

Рисунок 2.26 – Вікно програми AVR Builder

Для побудови алгоритму в Algorithm Builder передбачено сім

елементів:

– TEXT (рядок локального текстового редактора);

– VERTEX (вершина блоку);

– FIELD (поле);

– LABEL (мітка);

– CONDITION (умовний перехід);

– JMP Vector (відносний безумовний перехід);

– SETTER (настроювач периферійних пристроїв).

Усі елементи знаходяться на панелі інструментів для швидкого

доступу до них та зручного використання (рисунок 2.27).

Рисунок 2.27 – Елементи AVR Builder.

Елемент «TEXT» являє собою текстовий рядок, що починається

від лівого краю поля алгоритму. Сукупність із декількох таких рядків

утворює локальний текстовий редактор, обведений пунктирними

лініями. Правила роботи в ньому, аналогічні іншим текстовим

редакторам.

Рядки призначені для запису в них ряду директив компілятора, а

також для коментарів. Для додавання нового рядка текстового

редактора потрібно вибрати меню «Элементы > Текст», або натиснути

клавіші «Alt+T». Також можна натиснути кнопку «Т» на панелі

інструментів. Коментарі повинні позначатися двома косими

рисачками: «//».

Елемент «LABEL» являє собою вертикальний штрих,

розташований всередині блоку операторів і необов'язкове ім'я, що

розташовується ліворуч або праворуч від штриха. Мітка призначена

для позначення місць в алгоритмі, куди можливе здійснення умовних і

безумовних переходів. Така реалізація значно спрощує розробку

110

програми, так як код стає більш зрозумілим, ніж у звичайній програмі

на Assembler.

Для додавання мітки в блок використовується пункт меню

«Элементы Метка», або ж натисканням клавіші «Alt+L», або

кнопкою «L» на панелі інструментів.

Елемент «VERTEX» за своїм змістом й призначенням повністю

ідентичний мітці, але на відміну від неї, задає розташування блоку на

робочій площині й завжди є його початком. Створення нової вершини

виконується з пункту меню «Элементы Вершина», або ж викликом

гарячої клавіші «Alt+V», або натисканням кнопки «V» на панелі

інструментів.

Елемент «FIELD» являє собою рядок у блоці. Об'єкт

призначений для запису більшості операторів МК. Щоб додати поле,

потрібно вибрати пункт меню «Элементы Поле», або натиснути

кнопку «F» на панелі інструментів, або комбінацією клавіш «Alt+F»,

або клавішею «Enter» у випадку, якщо курсор перебуває поза

локальним текстовим редактором.

Елемент «CONDITION» конструктивно найбільш складний і

призначений для реалізації умовних переходів. Являє собою овальний

контур, усередині якого вписується умова переходу й можливий

вектор у виді ламаної лінії зі стрілкою на кінці, біля якої можливо

необов'язкове ім'я вектора. Кінець вектора повинен:

закінчуватися на якій-небудь мітці;

закінчуватися на вершині блоку;

закінчуватися на відрізку іншого вектора;

мати ім'я адресованої мітки.

Проведення вектору до потрібного місця відбувається

натисканням лівої кнопки миші при натиснутій клавіші «Alt». Для

редагування вектора використовуються клавіші напрямку в комбінації

із клавішею «Alt». Щоб ввести новий об'єкт, слід обрати пункт меню

«ЭлементыУсловие», натиснути клавіші «Alt+C» або кнопку на «С»

панелі інструментів.

Елемент «JMP Vector» призначений для реалізації коротких

безумовних переходів (у базовому асемблері це оператор «RJMP»).

Являє собою ламану лінію, що виходить із середини блоку зі стрілкою

на кінці, аналогічну вектору об'єкта «Condition». Щоб додати новий

безумовний перехід, потрібно вибрати пункт меню «Элементы

Вектор б/у перехода», натиснути комбінацію клавіш «Alt+J» або

кнопку «J» на панелі інструментів.

Елемент «SETTER» являє собою сірий прямокутник, усередину

якого вписане ім'я периферійного компонента МК, такого як таймер,

АЦП, регістр маски переривань та ін. Настроювач призначений для

111

формування послідовності операцій МК, які забезпечують

завантаження необхідних констант у відповідні керуючі регістри

введення/виведення у відповідності з обраними властивостями.

Перед використанням цього елемента потрібно визначити тип

МК. Для додавання настроювача в алгоритм потрібно обрати пункт

меню «Элементы Настройщик», натиснути клавіші «Alt+S» або

кнопку «S» на панелі інструментів.

Об'єкт «Setter» є макро-оператором. Після компіляції він

перетвориться в послідовність команд МК, які забезпечують

завантаження необхідних констант у відповідні регістри керування. У

цих операціях буде використаний регістр R16.

Для ряду компонентів, наприклад ADC, настроювач може

впливати на декілька регістрів керування. У цьому випадку при

необхідності вплив на кожний конкретний регістр можна заблокувати.

2.5.3 Приклад застосування AVR Builder

Для створення нового проекту в програмному середовищі AVR

Builder потрібно вибрати пункт меню «Файл Новый». При цьому в

робочій області програми з’явиться елемент «Текст», «Вершина

блоку» та елемент «Поле» з пустим оператором NOP (рисунок 2.28).

Рисунок 2.28 – Порожній проект AVR Builder.

Розглянемо застосування AVR Builder на прикладі програми

бігучий вогонь. Алгоритми програми зображені на рисунку 2.29.

Даний алгоритм почергово виводить логічні одиниці в біти порту В. З

лівої сторони відображено алгоритм основної програми, а з правої –

алгоритм підпрограми затримки. Підпрограма затримки

використовується для того, щоб мерехтіння бігучого вогню було

помітним для людського ока.

Запис даних до регістрів відбувається за допомогою вказівки «-

>». Для зручності її можна вводити за допомогою натискання однієї

клавіші «`», що знаходиться під клавішею ESC.

112

Рисунок 2.29 – Алгоритм програми "Бігучий вогонь" у AVR Builder.

Для створення нового поля використовується клавіша «Enter», а

для його видалення комбінацію клавіш «Ctrl+Del». Створення всіх

інших елементів наводиться в розділі 2.5.2.

Рожева помітка біля оператора «250 -> r18» означає точку

зупину для симулятора. Додається вона за допомогою клавіші «F5»

або ж відповідною піктограмою на панелі інструментів.

Після завершення роботи над алгоритмом програми необхідно

визначити тип МК, після чого можна буде скомпілювати програму.

Для цього потрібно скористатися пунктом меню «Опции Опции

проекта…» та на закладці «Кристалл» обрати потрібний МК.

Вибираємо МК AT90S2313 (рисунок 2.30).

Рисунок 2.30 – Опції проекту AVR Builder.

113

Після виконання цих дій можна скомпілювати програму та

запустити на виконання в симуляторі. Для цього використовується

клавіша «F9». Якщо в програмі відсутні помилки, то запуститься

симулятор. Якщо ж помилки є, то про це буде повідомлено.

Для спостереженням за станом МК під час виконання програми

в AVR Builder передбачені вікна моніторингу (рисунки 2.31 – 2.33). Їх

можна викликати через пункт меню «Открыть». Для відстеження

стану МК у даному алгоритмі достатньо відкрити вікна «Processor»,

«Working Registers» та «I/O Registers… Port B».

Рисунок 2.31 – Вікно стану процесора.

Рисунок 2.32 – Вікно стану регістрів.

Рисунок 2.33 – Вікно стану порту В.

114

При запуску симулятора вміст регістрів SRAM автоматично

заповнюється випадковими числами, тому що в реальному часі їх

вміст неможливо передбачити одразу ж після подачі живлення.

Рисунок 2.34 – Вікно симулятора AVR Builder.

Рисунок 2.35 – Панель інструментів симулятора AVR Builder.

Синя мітка біля оператора (рисунок 2.34) – це поточне

положення програмного лічильника. Вона вказує на оператор, який

буде виконаний у наступному кроці. Після компіляції програми та

запуску симулятора вона автоматично встановлюється біля першого

оператора.

Для покрокового виконання програми використовується

клавіша «F7». Покрокове виконання без входу в підпрограму

виконується за допомогою клавіші «F8». Виконання алгоритму до

виходу з підпрограми виконується клавішею «F6».

Запуск на необмежене виконання до точки зупину виконується

клавішею «F9», а виконання до виділеного елемента клавішею «F4».

При цьому виконання алгоритму може бути призупинено

натисканням клавіші «F2».

Для більш зручного використання програми передбачені

спеціальні кнопки на панелі інструментів симулятора, які

відповідають вищезазначеним функціям (рисунок 2.35).

Під час виконання алгоритму у вікні моніторингу порту В

спостерігається почергова поява логічних одиниць на виходах.

115

РОЗДІЛ 3 ОСОБЛИВОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ

МІКРОПРОЦЕСОРНИХ СИСТЕМ

3.1 Технічне завдання на розробку двоканального

терморегулятора

Загальний опис виробу, що розробляється. Пристрій

призначений для вимірювання і підтримки в заданому діапазоні

температури в нагрівальній камері промислової установки

термостатування. Функціональна схема установки термостатування

наведена на рисунку 3.1. Камера обладнана двома

електронагрівальними елементами (ТЕН1, ТЕН2), що перемикаються

за допомогою електромеханічних реле змінного струму (Р1, Р2) і

двома датчиками температури (ДТ1, ДТ2). Регулювання температури

здійснюється шляхом нагріву, до заданої температури, повітря

нагрівальної камери за допомогою електронагрівальних елементів, які

включаються подачею напруги живлення, і подальшого природного

його охолоджування. Швидкість зміни температури повітряного

середовища нагрівальної камери складає від 10 до 15 °С/хв.

P2

P1 ТЕН1

ТЕН2

ДТ1

ДТ2

~220В

~220В

~24В

0,1А

~24В

0,1А

Uдт1

Uдт2

Нагрівальна камера

Рисунок 3.1 – Функціональна схема установки термостатування

Характеристики сигналу управління електромеханічними реле:

номінальна напруга - ~24 В;

частота сигналу управління - 50 Гц;

номінальний струм вмикання - 0,1 А.

Вимоги до технічних характеристик терморегулятора:

діапазон робочих температур - від 0 до +300 °С;

кількість каналів вимірювання і регулювання - 2;

116

точність вимірювання температури - ± 1 °С;

точність підтримки заданої температури - ± 3 °С;

дискретність установки заданої температури – 1 0С.

Вимоги до функціональних характеристик терморегулятора.

Виріб повинен виконувати такі функції:

вимірювання і цифрову індикацію двох каналів поточної

температури в нагрівальній камері;

незалежну цифрову установку двох значень заданої температури;

зберігання значень встановленої температури;

індикацію вмикання електронагрівальних елементів;

звукову сигналізацію входу/виходу в режим установки заданої

температури;

індикацію вмикання пристрою (наявність напруги живлення).

Вимоги до конструкції. Пристрій повинен представляти собою

моноблок з роз'ємами для підключення зовнішніх датчиків

температури і електромеханічних реле управління

електронагрівальними елементами. Габаритні розміри пристрою не

повинні перевищувати 70 х 70 х 130 мм.

Вимоги до живлення. Живлення терморегулятора здійснюється

від мережі змінного струму загального користування ~220В.

Умови експлуатації. Пристрій призначений для роботи в

діапазоні робочих температур навколишнього середовища – від +0 до

+50 °С, при відносній вологості повітря до 85% (при температурі

+25 °С).

Спеціальні вимоги. Необхідно передбачити гальванічну

розв'язку між частиною, що управляє, і виконавчими органами

системи регулювання температури.

3.2 Розробка структурної схеми і алгоритму функціонування

терморегулятора. Вибір типів датчиків і виконавчих пристроїв

Основне призначення пристрою, що розробляється, –

регулювання температури нагрівальної камери установки

термостатування. Система, що розробляється, є електронною

системою регулювання (управління), яка, як і більшість систем

управління є системою замкнутого типу (рисунок 3.2). Вона включає

об'єкти управління – електронагрівальні елементи (ТЕН1, ТЕН2),

виконавчі органи – ключові каскади (Кк1, Кк2), датчики

інформаційних параметрів – датчики температури (ДТ1, ДТ2) і

керуючий пристрій (КП). Особливістю даної системи є наявність двох

незалежних каналів управління.

117

Принцип дії системи регулювання полягає у наступному:

датчики температури ДТ1 і ДТ2 вимірюють поточну температуру в

певних областях нагрівальної камери; сигнал з ДТ1 і ДТ2 поступає на

керуючий пристрій, який порівнює поточні значення із заданим

інтервалом температур. При цьому повинна виконуватися умова:

ТТТТТ уст

іі

уст

і , (3.1)

де Тi - поточна температура (i=1,2);

Тiуст

- значення встановленої температури;

T - точність підтримки температури.

Якщо поточне значення за будь-яким каналом вимірювання

нижче значення ТТ уст

і , то керуючий пристрій виробляє сигнал

відкриваючий відповідний ключовий каскад, внаслідок чого напруга

живлення подається на електронагрівальний елемент. Відбувається

нагрів повітряного середовища нагрівальної камери до тих пір, поки

не виконається умова ТТТ уст

іі . При виконанні вказаної умови,

керуючий пристрій, виробляє сигнал замикання ключового каскаду і

здійснюється природне охолоджування нагрівальної камери.

P2

P1 ТЕН1

ТЕН2

ДТ1

ДТ2

~220В

~220В

Uдт1

Uдт2

КП

Uкер1

Uкер2

Т1°С

Т2°С

Рисунок 3.2 – Узагальнена структура системи регулювання

температури нагрівальної камери

118

Датчики температури за матеріалом, з якого вони

виготовляються, діляться на металеві і напівпровідникові. За

принципом дії металеві датчики діляться на терморезистивні датчики і

термопари [21, 38].

У основі роботи терморезистивних датчиків лежить залежність

електричного опору від температури. У різних діапазонах робочих

температур ця залежність апроксимується інтерполяційними

рівняннями різного ступеня, але в першому наближенні її можна

вважати лінійною:

00 1 TTRRT , (3.2)

де Т - поточна температура;

R0 - значення електричного опору при температурі

Т0 = 0 °C (273К);

RT - значення опору при температурі Т °C;

- температурний коефіцієнт опору (ТКС).

Прецизійні терморезистивні датчики виготовляють з нікелю

(ТКС=5,4*10-3

К-1

) або платини (ТКС=3,9910-3

К-1

) [21]. Їх

застосовують у діапазоні температур від -260 °С до +1300 °С.

Для вимірювання опору, а відповідно, і температури на основі

терморезистивних датчиків, широко застосовують вимірювальну

схему – міст Уїтсона (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Міст Уїтсона

При R = 0 міст знаходиться в нульовому (збалансованому)

стані U(t)= 0. Вихідна напруга моста пов'язана із зміною опору R

нелінійно:

2

4 RR

RUtU Vcc (3.3)

119

Нелінійність схеми моста складає 0,05% від абсолютного

значення. Дана нелінійність відноситься тільки до схеми

вимірювання, і оскільки вона описується аналітично, то може бути

компенсована при цифровій обробці сигналу вимірювання.

Додаткова похибка вимірювань вноситься за рахунок

саморозігріву опору, унаслідок чого струм живлення моста IVcc

повинен бути дуже малий.

Таким чином, недоліками методу вимірювання температури на

основі терморезистивних датчиків є нелінійність вимірювань, похибки

за рахунок саморозігрівання терморезистора, залежність вихідного

сигналу від напруги живлення моста.

Крім того, як показує практика, через конструктивні

особливості виготовлення терморезисторів, вони володіють більшою

інерційністю, ніж термопари.

Термопари відносяться до датчиків генераторного типу. У

основі їх роботи лежить ефект генерації ТЕРМО-ЕРС у точці контакту

двох різнорідних металів під дією температури. Залежно від виду

металів ТЕРМО-ЕРС може мінятися від 7мкв/°C до 75мкв/°С.

Діапазон робочих температур складає від 0°С до +2300°С [21].

При підключенні датчика на основі термопари з'являється

додаткова паразитна ТЕРМО-ЕРС, яка може бути компенсована

шляхом реалізації повного датчика. Повний датчик утворює дві

термопари (рисунок 3.4), одна з яких постійно знаходиться при

температурі 0°С (температура таїння льоду).

Рисунок 3.4 – Схема вимірювання температури з використанням

термопар

Перевага методу вимірювання температури з використанням

термопар – висока точність і роздільна здатність. Недоліком є низька

120

повторюваність і виникнення паразитних ТЕРМО-ЕРС, унаслідок

чого виникає необхідність настройки приладу.

Напівпровідникові датчики температури засновані на

залежності опору кристала від температури. ТКС таких датчиків у 3-5

разів більше ТКС металевих датчиків, але оскільки їх діапазон

робочих температур складає від -50°С до +180°С, що не задовольняє

вимоги технічного завдання, то розглядати можливість застосування

датчиків вказаного типу у даній системі терморегулювання не має

сенсу.

Ґрунтуючись на приведеному вище аналізі, можна зробити

висновок, що для системи, що розробляється, необхідно застосувати

датчики на основі термопар.

Ключовими каскадами системи терморегулювання є реле

змінного струму, що комутують напругу живлення (~220 В) до

нагрівальних елементів (ТЕН1, ТЕН2). Спеціальною вимогою при їх

реалізації, згідно технічного завдання (ТЗ) є гальванічна розв'язка з

керуючим пристроєм.

Гальванічна розв'язка між керуючими і силовими колами,

традиційно здійснюється з використанням електромеханічних

приладів (трансформаторів і реле). Той самий ефект може бути

досягнутий використанням приладів з оптичним зв'язком

(оптоелектронних реле або оптронів). Принцип дії приладів з

оптичним зв'язком заснований на подвійному перетворенні енергії. У

передавачі електричний сигнал перетвориться в світловий пучок, а в

приймачі здійснюється зворотне перетворення, внаслідок чого

приймач і передавач зв'язані тільки оптичним зв'язком, що дає

можливість здійснювати гальванічну розв'язку приймача і передавача.

Оптоелектронні прилади перевершують електромагнітні

аналоги за надійністю, довговічністю, перехідним і частотним

характеристикам.

Можна відзначити такі переваги цих приладів:

можливість реалізації безконтактного оптичного керування

електронними об'єктами і обумовлені цим різноманітність і

гнучкість конструкторських рішень кіл, що управляють;

однонаправленість розповсюдження інформації по оптичному

каналу, відсутність зворотної реакції приймача на випромінювач;

широка частотна смуга пропускання оптрона, відсутність

обмеження з боку низьких частот (що властиве імпульсним

трансформаторам);

можливість передачі по оптичній лінії як імпульсного сигналу, так

і постійної складової;

оптичні канали зв'язку захищені від дії завад електромагнітних

121

полів;

для оптронів не існує принципових фізичних або конструктивних

обмежень по досягненню високої напруги і опорів розв'язки, а

також малій прохідній ємкості.

Використання оптронів не вимагає спеціальних засобів

погодження з цифровими ІМС.

Згідно ТЗ система терморегулювання повинна здійснювати

цифрову індикацію поточної температури і цифрову установку

заданої температури. Очевидно, що у такому разі переважним є

цифровий варіант реалізації керуючого пристрою. При цьому для

відображення значень поточної температури необхідно застосувати

семисегментні світлодіодні індикатори (по три десяткових розряди на

канал), оскільки відображення текстової інформації не потрібне.

Керуючий пристрій системи терморегулювання, як цифровий

обчислювальний пристрій, може бути реалізовано як на основі

наборів ІС цифрової логіки, так і на основі МК. Другий варіант є

кращим, оскільки дозволяє мінімізувати габарити пристрою, що

розробляється, скоротити терміни розробки і залишає можливість

реконфігурації системи.

КК1 ТЕН1 ДТ1

КК2 ТЕН2 ДТ2

T1oC

T2oC

~220В

~220В

Індикатор

1

Індикатор

2

МК АЦП

ОР1

Клавіатура

ОР2

БЖ

Керуючий пристрій

~24В

Uжив

Uжив

Uжив

Uжив

Uжив Uжив

Uкер1

Uкер2

UДТ1

UДТ2

~24В

~24В

Рисунок 3.5 – Структурна схема системи терморегулювання, що

розробляється

122

Структурна схема системи термостабілізації, що розробляється,

наведена на рисунку 3.5. Для перетворення сигналів аналогових

датчиків температури до форми зручною для обробки в

обчислювальних пристроях в схемі передбачений двоканальний

аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Індикатори 1 і 2 служать для

безперервної цифрової індикації поточної температури нагрівальної

камери, що задається. Клавіатура призначена для встановлення

заданої температури стабілізації. Оптоелектронні реле Ор1 і Ор2

здійснюють гальванічну розв'язку керуючої та силової частини

системи терморегулювання.

Усі активні пристрої керуючого контролера живляться від блоку

живлення пристрою, на вхід якого подається напруга живлення

мережі змінного струму загального користування ~220 В.

3.3 Вибір елементної бази і розробка схеми електричної

принципової терморегулятора

Синтез принципової схеми почнемо з вибору основних

елементів системи.

Датчики температури. Як датчики температури вибрані

датчики на основі термоелектричного ефекту (термопари). Залежно

від діапазону вимірюваних температур їх підрозділяють на

низькотемпературних (до 300 °С), середньотемпературні (до 600 °С) і

високотемпературні (понад 1800 °С), а залежно від способу

застосування - на занурювані в робоче середовище і поверхневі.

Занурювані термопари використовують для вимірювання температури

в газоподібних і рідких неагресивних і агресивних середовищах.

Очевидно, що найповніше умовам ТЗ задовольняють середньо

температурні занурювані термопари, оскільки для

низькотемпературних верхня межа діапазону робочих температур

співрозмірна з вказаною в ТЗ значенням. Серед термопар вказаних

типів, що випускаються промислово, найбільшого розповсюдження

отримали хромель-алюмелеві (ХА) або хромель-копелеві (ХК)

термопари. Основні характеристики цих термопар наведені у таблиці

3.1 [38].

Як видно з таблиці 3.1, значення ТЕРМО-ЕРС термопари

хромель-копель (ТХК) приблизно в два рази вищі, ніж у термопари

хромель-алюмель (ТХА) в одному і тому ж діапазоні робочих

температур, хоча діапазон вимірюваних температур у ТХА ширший.

Оскільки діапазон вимірюваних температур ТХК задовольняє

заданому в ТЗ значенню, як датчики температури системи

терморегулювання, що розробляється, виберемо термопари типу ТХК.

123

Таблиця 3.1. Основні характеристики ХА і ХК термопар

Матеріал

термопари

Тип

Діапазон

вимірюваних

температур

°С

Значення ТЕРМО-ЕРС, мВ, при

температурі робочого спаю, °С 0 50 100 150 200 250 300

Хромель-

алюмель

ТХА -200...+1000 0 2,44 4,10 6,14 8,14 10,15 12,21

Хромель-

копель

ТХК -50...+600 0 4,10 6,90 10,62 14,57 18,69 22,88

Аналого-цифровий перетворювач. Аналого-цифровий

перетворювач – пристрій, призначений для перетворення вхідного

аналогового сигналу у вихідний цифровий код. Мікросхеми АЦП

випускаються рядом виробників: Analog Devices, Maxim, Burr-Brown,

STMicroelectronics, Hitachi, National Semiconductor, Texas Instruments і

інші [11, 41]. Основними характеристиками АЦП є розрядність,

швидкодія, діапазон вхідної напруги, значення опорної напруги, тип

інтерфейсу, характеристики живлення, тип корпусу.

Розрядність АЦП визначає роздільну здатність (точність)

перетворення. В даний час випускаються АЦП з розрядністю від 8 до

24. Роздільну здатність АЦП можна оцінити, знаючи значущість

молодшого розряду, як величину зворотну 2n, де n - кількість розрядів

АЦП. Слід зазначити, що реальна похибка перетворення дещо вища за

значущість молодшого розряду, за рахунок нелінійності

характеристики АЦП, а також залежить від можливого «пропуску

коду».

У деяких застосуваннях дуже важливе значення має швидкодія

АЦП. За швидкодією сучасні АЦП можна умовно розділити на три

групи: АЦП низької швидкодії (до 100 ksps), АЦП середньої

швидкодії (від 100 до 500 ksps), АЦП високої швидкодії (більше 500

ksps). Для технологічних контролерів частіше всього

використовуються АЦП середньої і низької швидкодії.

Опорну напругу АЦП визначає діапазон можливих вхідних

значень напруги. Вхідній напрузі, величина якої рівна значенню

опорної напруги, відповідає максимальний цифровий код, уявний за

допомогою n-розрядів регістра результату АЦП. Опорна напруга

задається спеціальним високо-стабільним джерелом опорної напруги,

яке може бути, як зовнішнім по відношенню до АЦП, так і внутрішнім

(вбудованим).

У разі, коли АЦП реалізований у вигляді окремої ІМС,

вирішальне значення може мати швидкість обміну АЦП з

124

обчислювальним пристроєм. Вона залежить від використовуваного

інтерфейсу передачі даних. Як правило, в АЦП реалізований один з

уніфікованих послідовних або паралельних інтерфейсів.

Разом з тим в багатьох моделях сучасних МК АЦП присутній у

вигляді периферійного пристрою.

У системі терморегулювання, що розробляється, може бути

використаний як АЦП, реалізований у вигляді окремої ІМС, так і

інтегрований у МК. Як правило, АЦП реалізовані у вигляді окремої

ІМС володіють вищими показниками роздільної здатності і швидкодії,

але при цьому ускладнюється реалізація обміну даними між АЦП і

обчислювальним пристроєм (потрібне використання програмної або

апаратної реалізації послідовного або паралельного інтерфейсів

обміну даними). Як показує досвід практичної реалізації систем

подібного типу, для вимірювання температури із заданою в ТЗ

точністю цілком достатньо інтегрованого АЦП. Тому наявність АЦП

буде одним з критеріїв вибору МК керуючого пристрою.

Індикатор. Використання семисегментних світлодіодних

індикаторів у вбудованих системах дозволяє відображати десяткові

цифри, деякі букви російського і латинського алфавітів, а також деякі

спеціальні знаки. Семисегментні індикатори за схемою з'єднання в

них світлодіодних сегментів діляться на два види:

із загальним анодом (рисунок 3.6,а);

із загальним катодом (рисунок 3.6,б).

Рисунок 3.6 – Типи з'єднань сегментів в індикаторах

125

«Запалення» світлодіодного сегменту для індикатора першого

типу здійснюється шляхом подачі логічного «0», для другого –

логічної «1» на відповідний вивід індикатора.

Для відображення цифри на семисегментному індикаторі, її

машинне уявлення перетвориться в байт індикації (двійково-

десятковий код), який безпосередньо подається на виводи індикатора.

Для відображення багатосимвольної інформації окремі

семисегментні індикатори об'єднуються в лінійні (однорядкові)

дисплеї. Існує два способи організації інтерфейсу МК з лінійним

дисплеєм: статичний і динамічний. Перший вимагає наявності на

входах кожного індикатора спеціальних буферних регістрів для

зберігання коду символів, що виводяться. Це збільшує число

додаткових мікросхем, а також підвищує споживану потужність.

Динамічний заснований на тому, що людське око є інерційною

ланкою; інформація, що відображається на дисплеї, якщо її

оновлювати з частотою не менше 20 разів за секунду, представляється

незмінною. Динамічний спосіб індикації вимагає значно менших

апаратних витрат, але складнішого програмного забезпечення. Саме

цей спосіб знайшов переважне розповсюдження у вбудованих

системах.

При динамічній індикації байт індикації поступає одночасно на

входи всіх семисегментних індикаторів, що створюють лінійний

дисплей, а вибір знакомісця здійснюється байтом вибірки. Для

забезпечення яскравої і рівномірної індикації необхідно забезпечити:

по-перше, заборону вибірки знакомісця на час зміни байту індикації,

по-друге, регенерацію зображення на кожному знакомісці з частотою

не менше 20 Гц.

У даний час промисловістю випускаються спеціалізовані ІМС,

що реалізовують не тільки апаратне перетворення числа в двійково-

десятковий код, але і здійснюють управління лінійним

семисегментним індикатором. Прикладом такого індикаторного

контролера (драйвера) служить ІМС MAX7219/MAX7221 [67], що

випускаються фірмою MAXIM. Драйвери MAX7219/MAX7221

використовуються для управління лінійним 8-розрядним (до 8

десяткових розрядів числа) семисегментним індикатором із загальним

катодом. Вони містять у собі апаратний декодер, здійснюючий

перетворення з двійкового у двійково-десятковий код і ОЗП для

зберігання восьми байтів індикації. Драйвер MAX7221 окрім іншого

має вбудований апаратний інтерфейс SPI для обміну даними з

процесорним пристроєм, що полегшує програмну реалізацію обміну

даними.

Таким чином, у разі використання MAX7221, як індикаторів

126

можуть бути вибрані будь-які 3-х розрядні семисегментні індикатори

із загальним катодом, наприклад, BT-N325RD [81]. При цьому схема

підключення індикаторів системи терморегулювання матиме вигляд

представлений на рисунку 3.7.

Резистор R дозволяє задати струм для всіх сегментів одночасно.

Мінімальному значенню R = 9,53 кОм відповідає струму розряду

40 мА. Середній струм, а отже, і середня потужність, що розсіюється

розрядом, визначається не тільки струмом розряду, але і частотою

регенерації зображення на ньому. Виберемо R = 10 кОм.

MC

Рисунок 3.7 – Схема підключення індикаторів температури

При виборі мікроконтролера слід звернути увагу на наявність у

ньому вбудованого інтерфейсу SPI.

Для установки заданої температури і вибору режиму роботи

системи терморегулювання використовуємо трипозиційну клавіатуру.

Призначення клавіш буде детальніше описано в підрозділі що

стосується розробки програмного забезпечення мікроконтролера.

При роботі мікроконтролера з датчиками, що мають механічні

або електромеханічні контакти (кнопки, клавіші, реле, клавіатури і так

далі), виникає явище, яке називають тремтінням контактів. Це

приводить до перехідного процесу, при якому сигнал з контакту може

бути прочитаний як випадкова послідовність нулів і одиниць (рисунок

3.8). Подавити це небажане явище можна апаратними або

програмними способами.

127

Рисунок 3.8 – До пояснення ефекту тремтіння контактів

Апаратні способи полягають у використанні схеми

одновібратора (рисунок 3.9, а), або фільтру нижніх частот (рисунок

3.9, б) для згладжування пульсацій з періодом меншим, ніж постійна

часу фільтру = RC.

MC

PD2

Vcc

MC

PD2

Vcc

Рисунок 3.9 – Способи апаратного подавлення тремтіння контактів

Серед програмних способів найбільше розповсюдження

отримали два:

підрахунок заданого числа співпадаючих значень сигналу;

тимчасова затримка.

Суть першого способу полягає в багатократному зчитуванні

сигналу з контакту. Підрахунок вдалих опитувань (тобто опитувань,

які виявили, що контакт замкнутий) ведеться програмним

лічильником. Якщо після серії вдалих опитувань зустрічається

невдалий, то підрахунок починається спочатку. Контакт вважається

стійко замкнутим (тремтіння усунено), якщо пройшло N вдалих

опитувань. Число N підбирається експериментально для кожного типу

використовуваних датчиків і лежить в межах від 10 до 100.

Усунення тремтіння контактів шляхом введення тимчасової

затримки полягає в тому, що програма, виявивши замикання контакту,

забороняє опитування стану цього контакту на якийсь час, свідомо

більше тривалості перехідного процесу. Час затримки підбирається

128

експериментально для кожного типу датчиків в межах 1...20 мс і

реалізується зазвичай за допомогою одного з таймерів/лічильників.

При проектуванні системи терморегулювання зупинимося на

способі подавлення тремтіння контактів з використанням RC-ланки,

оскільки він вимагає мінімальних апаратних витрат і не ускладнює

програмної реалізації процедур обробки натиснення клавіш.

Електрична принципова схема підключення клавіатури до МК

наведена на рисунку 3.10. Розрахуємо параметри RC-ланок. Для всіх

RC-ланок на рисунку 3.10 параметри встановимо однаковими.

Vcc Vcc Vcc

PD0MC

PD1

PD2

Рисунок 3.10 – Схема підключення клавіатури до

мікроконтролера керуючого пристрою

Хай час перехідних процесів (час тремтіння контактів) у

використовуваних клавішних перемикачах S1...S3 дорівнює tдр =1мс.

Умовою стабільної фіксації логічного рівня на вході МК при усуненні

тремтіння контактів за допомогою RC-ланки є нерівність

RCдрt , (3.4)

де RC =RC - постійна часу RC-ланки.

Задамося значенням резисторів R1 = R2 = R3 = 10кОм. Тоді

згідно (3.4) С1 = С2 = С3 ≥ 1*10-7

Ф. Виберемо значення із

стандартного ряду номіналів С1 = С2 = С3 = 0,1 мкФ.

Вибір мікроконтролера системи регулювання температури.

Для системи регулювання може бути використаний один з 8-бітових

МК, широко вживаних в даний час для розв’язання подібного роду

завдань.

Вибір МК є питанням неоднозначним, таким, що має декілька

варіантів рішення. Як правило, завдання розв’язується евристичними

методами. Основними характеристиками, які при цьому беруться до

уваги, є:

- продуктивність, MIPS (MIPS - Million Instruсtions per Second

129

- мільйон інструкцій в секунду);

- кількість ліній введення/виведення;

- склад периферійних блоків;

- тактова частота, MГц;

- енергоспоживання, мВт/МГц;

- ціна.

Важливість того або іншого параметра визначається у кожному

конкретному випадку індивідуально. Наприклад, перший параметр -

продуктивність (кількість виконуваних операцій за одиницю часу).

Точне значення необхідної продуктивності можна визначити, знаючи

кількість операцій, потрібну для реалізації алгоритму роботи

пристрою за допомогою даного конкретного МК. Визначити це

значення можна в тому випадку, якщо однозначно встановлений

алгоритм роботи програмного забезпечення МК, а алгоритм може

бути однозначно визначений тільки тоді, коли вибраний конкретний

МК, розроблена принципова схема, визначені використовувані

периферійні вузли і так далі. Виходить замкнуте коло.

Ще складніше розв’язувати задачу вибору МК при розробці

принципово нового пристрою, що не має аналогів, оскільки в процесі

розробки алгоритм роботи пристрою може зазнавати істотних змін.

Декілька скоротити область вибору можуть обмеження по

інших, приведеним вище критеріям.

Розрахуємо необхідну кількість ліній введення/виведення, а

також визначимо необхідні периферійні вузли МК, для реалізації

пристрою системи терморегулювання, що управляє.

Для підключення клавіатури використовуються три лінії

введення/виведення. Дві лінії використовуються для управління

виконавчими механізмами. Ще дві лінії введення/виведення

використовуються для відображення стану ТЕН1 і ТЕН2. Одна лінія -

для управління звуковою сигналізацією вибору режимів роботи

пристрою.

Таким чином, МК повинен мати як мінімум 8 ліній

введення/виведення загального призначення. Крім того, для

спрощення обміну даними з індикаторами, потрібна наявність

інтерфейсу SPI; для переведення значень температури, що поступають

з аналогових датчиків температури, у цифровий код - АЦП, а для

зберігання встановлених значень температури - незалежна пам'ять

даних EEPROM ємністю не менше 4 байт (по 2 байти для кожного

значення температури).

Розрахуємо розрядність АЦП мікроконтролера.

Згідно ТЗ діапазон вимірюваних температур складає

Т =300°C, а точність вимірювання - Т = 1°C. Для забезпечення

130

заданої точності, необхідна кількість рівнів квантування електричного

сигналу, відповідного вимірюваній фізичній величині, повинно

складати:

T

TN кв

(3.5)

Тоді необхідна кількість розрядів АЦП:

квNEn 2log , (3.6)

де E(x) - оператор округлення до найближчого більшого цілого.

Для даного випадку згідно (3.5), (3.6) n=9, отже, для аналого-

цифрового перетворення сигналів внутрішній АЦП МК повинен мати

розрядність не менше 9.

Зі всієї різноманітності моделей 8-бітових МК можуть бути

вибрані МК фірми Atmel – AVR, Microchip – PIC16, Intel – 80x51 та

інші. Оптимальним за приведеними вище критеріями є МК ATmega8

[19, 20, 24]. Його основні характеристики:

- об'єм пам'яті програм - 8 кБ;

- об'єм ОЗП - 1 кБ;

- об'єм EEPROM - 512 байт;

- кількість ліній введення/виведення - 23;

- вбудований 10-розрядний АЦП (8 вхідних каналів);

- вбудований інтерфейс SPI;

- два 8-бітових і один 16-бітовий таймер/лічильник;

- тактова частота - до 16 Мгц;

- напруга живлення - від 2,7 В до 5,5 В.

Розробка принципової схеми. Напруга живлення драйвера

MAX7221 і мікроконтролера складає +5 В, тому аналогічна напруга

живлення може бути вибране для решти блоків системи

терморегуляції (див. рисунок 3.5).

Оскільки живлення терморегулятора згідно ТЗ повинне

здійснюватися від мережі змінного струму загального користування

~220В, для отримання Uжив=+5 В потрібно використовувати вторинне

джерело живлення.

Розрахуємо енергетичні показники терморегулятора. У разі,

коли одночасно натиснуті всі (три) клавіші, струм споживання

клавіатури складає:

mAR

U5,1

1010

53

жив3I

3

max

кл

(3.7)

131

Як оптрони системи терморегулювання можуть бути вибрані

будь-які оптрони для комутації змінного струму не менше 0,1 мА, з

комутованою напругою не менше ~24В (діюче значення) і струмом

управління не більше 20 мА (максимальний вихідний струм МК).

Наприклад, PVT312 [80]. Схема підключення оптронів до МК

наведена на рисунку 3.11.

Вх.~24В Вх.~24В

Вих.~24ВВих.~24В

MC

PD0 PD1

Рисунок 3.11 – Схема підключення оптронів

Опори R1 і R2 встановлюють величину струму керування

оптронів. Розрахуємо їх значення.

Мінімальне значення керуючого струму оптрона - мАI кер 2min .

Для надійного спрацьовування номінальний струм управління

оптронів вибирається рівним:

min

керз

ном

кер IКI , (3.8)

де Кз - коефіцієнт запасу (Кз=1,5 ÷ 3). Задамо Кз=2, тоді згідно (3.8) ном

керI =5 мА.

На вольтамперній характеристиці оптрона, при вибраному

керуючому струмі, визначаємо падіння напруги на діоді UVD=1,2 В

[80]. Напруга високого логічного рівня на виході МК (при Uжив=+5 В)

складає ВU лог 4,3min

1. . Таким чином на обмежувальному опорі R1 (R2)

повинна падати напруга UR1(R2)= 2,2..3,8 В. Відповідно R1 (R2) для

забезпечення заданого керуючого струму повинні знаходиться в

межах Ом 440...76021)2(1

ном

кер

RR

I

URR . Виберемо номінальне значення

опорів R1 = R2 = 560 Ом.

Коли одночасно включені обидва тена (тобто, подані керуючі

сигнали на обидва оптрони), то максимальний струм буде

дорівнювати:

132

mAR

UU VDлог 6,13560

2,1522I

max

"1"max

опт

(3.9)

Максимальний струм споживання МК – max

MKI =100мА, а

максимальний струм споживання драйвера спільно з індикаторами max

інддрвI =500 мА.

Таким чином, максимальний струм, споживаний частиною

керуючого пристрою становить:

mAIIIII інддрвМКопткл 1,6155001006,135,1maxmaxmaxmax

max (3.10)

Принципова схема вторинного джерела живлення наведена на

рисунок 3.12. Він включає знижувальний трансформатор, діодний

міст і стабілізатор напруги L7805 або його аналог.

Рисунок 3.12 – Схема джерела живлення терморегулятора

Вторинна обмотка трансформатора II від якої живиться частина

пристрою, що управляє, повинна бути розрахована на вихідний струм

мАмАII ІІвих 2,12301,6152K max2. і напругу ВІІвих 5,7~U .

(амплітудне значення). Тобто вихідна потужність обмотки II

трансформатора повинна дорівнювати:

АВмАВIUP ІІвихІІвихвих.ІІ 23,92,12305,7.. .

Обмотка III використовується для керування

електромеханічними реле її вихідна потужність повинна дорівнювати:

АВмАВIКUP ІІІвихІІІвихвих.ІІІ 6,92,0224.2. .

Вибір діодного моста визначається максимальним вихідним

струмом вторинної обмотки II трансформатора Iвих. II. Вибирається

SB201 [75], розрахований на максимальний струм 2 А і вхідну

напругу 35 В (значення, що діє).

Номінальні значення ємності блокувальних конденсаторів С1–

133

С4 вибрані згідно рекомендаціям виробника стабілізатора L7805 [77].

Резистор R1 обмежує струм, що протікає через світлодіод VD2,

який сигналізує наявність живлення приладу (індикацію вмикання

пристрою). На обмежуючому резисторі повинна падати напруга

UR1=Uжив – (1,8÷1,9) В. При номінальному струмі IVD=10 мА і напрузі

живлення Uжив=+5 В, згідно закону Ома, опір R1 = 310-320 Ом. Як

показує практичний досвід, без помітного зниження яскравості, опір

R1 може бути збільшено в 1,5-3 рази (особливо для надяскравих

світлодіодів). З ряду номінальних значень виберемо номінальне

значення R1 = 560 Ом.

Точність аналого-цифрового перетворення визначається не

тільки розрядністю АЦП, але і динамічним діапазоном вхідного

аналогового сигналу.

Розрахуємо величину рівня квантування сигналу

температурного датчика. З таблиці 3.1 при температурі 300°С (верхня

межа діапазону вимірюваних температур) величина напруги на виході

термопари рівна Umax = 22,88 мВ. Абсолютна величина напруги,

відповідної рівню квантування, при кількості розрядів АЦП n

дорівнює:

U = Umax/2n

= 22,88 мВ/210

= 22,3 мкВ.

Чим більше U у порівнянні з дисперсією шуму на вході АЦП,

тим вище точність вимірювання рівня сигналу (менше позначається

вплив шумів на точність вимірювання). Абсолютна величина напруги,

відповідна рівню квантування U пропорційна величині Umax, яка

визначає динамічний діапазон вихідних сигналів термодатчиків.

Очевидно, що максимальна точність буде досягнута тоді, коли

динамічний діапазон сигналу буде рівний динамічному діапазону

АЦП, який визначається величиною опорної напруги. Величина

опорної напруги АЦП мікроконтролера ATmega8 складає Uжив. = +5 В.

Для збільшення динамічного діапазону сигналу температурних

датчиків системи терморегулювання в кожному каналі вимірювання

застосовуються масштабувальні підсилювачі (рисунок 3.13).

Коло

ДТ1

Gnd

ADC1

MC

Vcc

Рисунок 3.13 – Схема вхідного підсилювача терморегулятора

134

Схема пристрою, що розробляється, представлений на рисунках

3.14-3.15.

Для підсилення малих диференціальних сигналів (сигнали з

виходу термопар) застосовуються інструментальні підсилювачі

AD621. Терміном «інструментальний підсилювач» («вимірювальний

підсилювач») позначають диференціальний підсилювач із зв'язками за

постійним струмом, високим коефіцієнтом підсилення, високим

вхідним повним опором і великим коефіцієнтом ослаблення

синфазного сигналу.

RESET

OSC1

OSC2

PB5/SCK

PB4/MISO

PB3/MOSI

PB0/ICP

PB1/OC1A

PB2/SS16

15

14

17

18

19

10

9

1

до Х1-5

Рисунок 3.14 – Схема електрична принципова терморегулятора

135

VCC

GND

PC0/ADC0

PC1/ADC1

PC2/ADC2

PC4/SDA

PD0/RXD

PD1/TXD

PD2/INT0

PD3/INT1

PC5/SCL

25

24

23

5

4

3

2

27

28

8, 22

7

ATmega8

від D4-1

Коло

Gnd

Gnd

Коло

Коло

Рисунок 3.15 – Продовження схеми електричної принципової

терморегулятора

Необхідний коефіцієнт підсилення визначається

співвідношенням:

5,2181088,22

5

U

U3

max

on

В

ВК ус (3.11)

Для AD621 коефіцієнт підсилення задається зовнішнім

резистором Rg, опір якого визначається:

136

5

200

усК

кОмRg (3.12)

Згідно (3.12) для Кус = 218,5, опір Rg = 937 Ом. Виберемо

найближче номінальне значення Rg = 1 кОм. Тоді реальний

коефіцієнт посилення складе Кус = 205, що задовольняє умові (3.11).

Для звукової сигналізації входу/виходу до режиму установки

заданої температури використаний п'єзоелектричний випромінювач

B1.

Обмежувальні резистори R8, R9 розраховуються так як і R1

блоку живлення.

Роз’єм X1 служить для підключення внутрішньо схемного

програматора, X2, X3 - виконавчих реле і датчиків температури,

відповідно.

Для забезпечення продуктивності МК близькою до

максимальної, вибраний кварцовий резонатор ZQ1, розрахований на

частоту 10 МГц.

3.4 Розробка програмного забезпечення

Відповідно до логіки роботи, описаної вище, програмне

забезпечення МК повинне реалізувати два основні режими роботи

пристрою - режим індикації поточної температури і режим установки

заданої температури. У обох режимах пристрій повинен виконувати

основну функцію - регулювання температури шляхом

вмикання/вимикання ТЕН1, ТЕН2.

Програмне забезпечення розробляється з урахуванням системи

команд МК ATmega8 на мові Асемблер. На рисунку 3.16 представлена

схема алгоритму роботи основної програми.

Після ініціалізації МК з EEPROM зчитуються значення

температури Туст1 (T1H:T1L), Туст2 (T2H:T2L), встановленою (заданою)

для кожного з каналів у попередньому сеансі роботи.

У підпрограмі обчислення порогових значень (рисунок 3.17)

обчислюється нижнє значення температури в нагрівальній камері

( TТТ уствкл 11. ), досягши якого відбувається вмикання

термоелектронагрівача, і верхнє значення, при якому він вимикається

( TТТ уствкл 11. ). Оскільки встановлені температури для першого і

другого каналів можуть відрізнятися, то можуть відрізнятися і

порогові значення для ТЕН1 і ТЕН2. Алгоритм обчислення порогових

значень другого каналу аналогічний. Величина точності підтримки

заданої температури - постійна і, згідно ТЗ, складає ΔT = ± 3 °C.

137

Кінець

Ініціалізація

мікроконтролера

Ініціалізація

змінних

Налаштування

портів

Налаштування

таймера/

лічильника

Налаштування

АЦП

Налаштування

SPI

Зчитування

значень заданої

температури

Обчислення порогових значень

вмикання/вимикання ТЕН1, ТЕН2

Дозвіл переривань

Натиснута

кнопка „Enter”?

Вибір каналу і встановлення

значень заданої температури

Так

Ні

Живлення є ?

Так

Ні

Початок

Рисунок 3.16 –Схема алгоритму основної програми мікроконтролера

138

Вхід до ПП

Вихід з ПП

АК:=Туст.1

(Т1onH:T1onL):=AK-ΔT

(Т1offH:T1offL):=AK+ΔT

АК:=Туст.1

Рисунок 3.17 –Схема алгоритму підпрограми обчислення порогових

значень першого каналу

Основна функція пристрою - регулювання температури буде

реалізовано з використанням переривання таймера/лічильника. У

обробнику цього переривання також відображатиметься поточна

температура, тому в основній програмі після установки глобального

дозволу переривань, здійснюється перехід до опитування клавіатури.

Натиснення клавіші S2 "Enter" (див. рисунки 3.14, 3.15) приводить до

переходу до режиму установки заданої температури. У цьому режимі

індикація поточної температури тимчасово припиняється,

відображаються значення встановлюваної температури. Після

установки заданої температури пристрій повертається до опиту

клавіші S2 "Enter" і відновлює індикацію поточної температури.

Визначимо часовий інтервал між перериваннями таймера/лічильника.

Згідно теореми відліків Котельникова (теореми Найквіста) [4]

інтервал дискретизації сигналів ДТ1, ДТ2 повинен складати:

в

дF

Т2

1 , (3.13)

де Fв - верхня гранична частота в спектрі сигналу.

Швидкість зміни температури в нагрівальній камері, задана в

ТЗ, складає від 10 до 15 °С/хв. Отже, верхня гранична частота в

139

спектрі сигналу температурного датчика буде рівна ГцсFb 25,060

15 1 ,

а інтервал дискретизації (інтервал, який відраховується таймером),

згідно (3.13) – cГц

Тд 225,02

1

.

Оскільки в підпрограмі-обробнику переривання також повинна

відбуватися індикація значень поточної температури, то нижнє

значення часового інтервалу визначатиметься частотою оновлення

розрядів семисегментного індикатора. Для драйвера MAX7221

частота регенерації зображення розрядів дорівнює:

N

fF osc

рег

8, (3.14)

де fosc - частота сканування розрядів MAX7221 (fosc =800 Гц [78]);

N - кількість розрядів індикації.

При необхідних N = 6 розрядах індикації, згідно (3.14):

)94,01

(T Гц 1067 мсF

Fрег

регрег .

Таким чином, період дискретизації сигналів датчиків

температури (часовий інтервал, що відраховує таймер) повинен

знаходиться в межах

сТмс д 294,0 (3.15)

Виберемо значення Tд на порядок більше інтервалу регенерації:

Tд=10 мс.

Для формування часового інтервалу може бути використаний

один з таймерів: ТС1 або ТС0. Скориставшись програмою AVRCalc

[76] визначаємо, що при коефіцієнті перерахункової схеми 1024

TC1H=FFH, TC1L=9FH, а TC0=9FH; при коефіцієнті перерахункової

схеми 256 TC1H=FEH, TC1L=7AH. Вибираємо для створення

часового інтервалу таймер ТС1. Підпрограма обробки переривання за

переповнюванню таймера ТС1 представлена на рисунку 3.18.

Напруга на виході датчика при температурі 300 °С складає

22,88 мВ (див. таблицю 3.1). Коефіцієнт перетворення напруги

датчика в температуру Кпр з урахуванням коефіцієнта підсилення

вхідного підсилювача розраховується за формулою:

ВC

мВC

мВ

C

мВК

CК

ус

пр

64064,08,22205

300

8,22

300

(3.16)

У основній програмі при натисненні клавіші S2 "Enter"

виконується перехід до меню користувача (рисунок 3.19).

140

Вхід до ПП

Вибір каналу АЦП (ADC0)

Запуск АЦП

Результат АЦП

готовий?

AK:=( ADCDRH: ADCDRL)xКпр

АК ≥ (T1onH:T1onL)

Ввімкнення ТЕН1 і подача

світлового сигналу

АК ≥ (T1offH:T1offL)

Вимкнення ТЕН1 і

світлодіоду

SPIDR := AK

Вибір каналу АЦП (ADC1)

Ні

Так

Так

Так

Ні

Ні

Запуск АЦП

Результат АЦП

готовий?

AK:=( ADCDRH: ADCDRL)xКпр

АК ≥ (T2onH:T2onL)

Ввімкнення ТЕН2 і подача

світлового сигналу

АК (T2offH:T2offL)

Вимкнення ТЕН2 і

світлодіоду

SPIDR := AK

Ні

Так

Так

Так

Ні

Ні

Вихід з ПП

≥

Рисунок 3.18 –Схема алгоритму підпрограми-обробника переривання

за переповненням таймера/лічильника ТС1

141

Вхід до ПП

Відпущена

клавіша „Enter”?

Звуковий сигнал

0,2 с

StopIndFlag := 1

Індикація значень

Туст.1 і Туст.2

Натиснута

клавіша „Up”?

ChanelFlag := 1

Натиснута

клавіша „Down”?

ChanelFlag := 2

Натиснута

клавіша „Enter”?

T”Enter” ≥ 2c ?

Вихід з ПП

Встановлення

значень заданої

температури

Ні

Так

Так

Так

Так

Так

Ні

Ні

Ні

Ні

Рисунок 3.19 – Схема алгоритму підпрограми меню користувача

142

Вхід до ПП

Відпущена клавіша „Enter”?

Звуковий сигнал

0,2с

Ні

Так

Натиснута клавіша

„Up”?

Пауза 0,2 с

ChanelFlag := 1 ?

2

1

Так

Так

Ні

Ні

Туст.2 := Туст.2+ 1Туст.1 := Туст.1+ 1

Індикація значень

Туст.2Туст.1,

Визначення порого-

вих значень

On/ Off ТЕН1, ТЕН2

Натиснута клавіша

Пауза 0,2 с

ChanelFlag := 1 ?

2

Так

Так

Ні

Ні

Натиснута клавіша

„Enter”?

Вихід з ПП

1

„Down”?

Туст.1 := Туст.1+ 1 Туст.2 := Туст.2+ 1

Індикація значень

Туст.2Туст.1,

Визначення порого-

вих значень

On/ Off ТЕН1, ТЕН2

Рисунок 3.20 – Блок-схема підпрограми установки заданої

температури

У меню, за допомогою клавіш S1 "Up" і S3 "Down" спочатку

вибирається канал, для якого встановлюється температура, а потім за

натисненням клавіші S2 "Enter" здійснюється перехід до режиму

встановлення заданої температури вибраного каналу (рисунок 3.20).

У цьому режимі індикація поточної температури тимчасово

припиняється, відображаються значення температури, що

143

встановлюється по першому і другому каналах. Для заборони

індикації поточної температури використовується призначений для

користувача Flag.

Встановлення температури вибраного каналу здійснюється за

допомогою клавіш S1 "Up" і S3 "Down". При натисненні клавіші S2

"Enter" пристрій повертається в призначене для користувача меню,

вихід з якого до основного режиму можливий тільки при утримуванні

клавіші на протязі 2 с. Цей часовий інтервал формується методом

програмних циклів. Перемикання між режимами супроводжується

звуковою сигналізацією п’єзозвукознімача B1.

144

РОЗДІЛ 4 НАЛАГОДЖЕННЯ МІКРОПРОЦЕСОРНИХ

СИСТЕМ У СЕРЕДОВИЩІ PROTEUS

У основі автоматизованого схемотехнічного проектування

лежить адекватне моделювання електричних процесів, що протікають

в схемі при її функціонуванні. Впровадження в інженерну практику

методів автоматизації схемотехнічного проектування дозволяє

перейти від макетування апаратури до її моделювання на

персональному комп’ютері за допомогою відповідного програмного

забезпечення.

Існуюче програмне забезпечення для моделювання електричних

процесів дозволяє розв’язувати ряд проектних завдань, до яких

відносяться:

оцінка принципіальної електричної схеми, що реалізовується, і

досягнення заданих у технічному завданні вимог до вихідних

характеристик;

вибір якнайкращого варіанту з декількох електричних схем;

відпрацьовування електричної схеми по вихідних характеристиках

і електричних режимах роботи радіоелементів.

Системи програм, що призначені для автоматизації

проектування радіоелектронних пристроїв (РЕП), можна розділити на

дві основні групи: системи схемотехнічного проектування і

конструкторського проектування. У останнє десятиліття намітилася

явна тенденція інтеграції пакетів програм для проектування

схемотехнічного проектування і конструкторського проектування

РЕП.

Окрім цих основних груп пакетів програм у системах

автоматизованого проектування широко використовуються різні

допоміжні пакети: математичні пакети, бази даних, графічні і текстові

редактори, електронні таблиці та ін.

У даний час існує велике число пакетів програм, призначених

для виконання схемотехнічного проектування РЕП: DesignLab [2],

Altera MAX+plus II [53], Orcad [31], Electronic Work Banch (MultiSim)

[29], Micro Cap [29, 50], Proteus VSM [40, 49, 69, 70].

Автономне налагодження МПС полягає у налагодженні як самої

апаратури, так і програмного забезпечення.

Налагодження апаратури припускає тестування окремих

пристроїв МПС (процесора, ОЗП, контролерів, блоку живлення,

генератора тактових імпульсів) шляхом подачі текстових вхідних дій і

знімання реакцій у відповідь. Потім перевіряється їх взаємодія

шляхом аналізу сигналів на шинах: адрес, даних і управління.

Налагодження програм МПС проводиться, зазвичай, на тих же

145

персональних комп’ютерах, на яких велася розробка програм, і на тій

же мові програмування. Налагодження може бути розпочате на

комп’ютері навіть за відсутності апаратури МПС. Для цього в

системному програмному забезпеченні повинні знаходитися програми

(інтерпретатори і емулятори), що моделюють функції відсутніх

апаратурних засобів. Перевірка коректності програм здійснюється

тестуванням двома способами: покроковим режимом і трасуванням

програм. Засоби налагодження програм мають: управляти виконання

програм, збирати інформацію про хід виконання програми,

забезпечувати обмін інформацією (діалог) між програмістом і

комп’ютером на рівні мови програмування, моделювати роботу

відсутніх апаратурних засобів.

Як правило, МПС – це система реального часу, тобто

коректність її функціонування залежить від часу виконання окремих

програм і швидкості роботи апаратури. Тому система вважається

працездатною, якщо робочі програми правильно функціонують на

реальній апаратурі системи в реальних умовах. Тенденція розвитку

засобів налагодження МПС полягає в об'єднанні властивостей

декількох приладів в одному комплексі, у створенні універсальних

засобів, придатних для автономного налагодження апаратури,

генерації і автономного налагодження програм і комплексного

налагодження системи. У комплексному налагодженні разом з

детермінованим використовується статистичне тестування, при якому

МПС перевіряється при змінюванні вхідних змінних відповідно до

статистичних законів роботи джерел інформації.

Для розробки і налагодження МПС потрібні прилади, які здатні:

виконувати функції вимірювати напругу і струм, відтворювати форму

сигналу, подавати імпульси певної форми і т. д.; подавати

послідовність сигналів одночасно на декілька входів відповідно до

заданої часової діаграми або заданого алгоритму функціонування;

збирати значення сигналів багатьох ліній протягом одного і того ж

проміжку часу, який визначається подіями, що задаються комбінацією

або послідовністю сигналів на лініях; обробляти і представляти

зібрану інформацію або у вигляді часової діаграми, або у вигляді

таблиці логічних станів, або на мові високого рівня. Для автономного

налагодження широко використовуються осцилографи, вольтметри,

амперметри, частотоміри, генератори імпульсів і кодів, що

дозволяють проводити це для апаратури на схемному рівні. Для

проведення комплексного налагодження МПС використовують

логічні аналізатори, налагоджувальні і діагностичні комплекси.

Однак, організація експериментальних досліджень викликає

серйозні ускладнення. Навчальна лабораторія повинна мати сучасне

146

вимірювальне обладнання й кваліфікований персонал, здатний

підтримувати його в робочому стані. Якщо навчальному закладу

утримувати таку лабораторію складно, то розв’язання подібних задач

індивідуальним користувачем неможливо.

Застосування персонального комп’ютера створює альтернативу

навчальній лабораторії – віртуальну лабораторію, яка є по суті

програмою числового розрахунку схем з інтерфейсом, який імітує

діяльність дослідника в реальній лабораторії. Розширити коло

потенційних користувачів можна, якщо процес моделювання

максимально наближений до реальності. У цьому випадку користувач,

здійснює природну послідовність таких дій, як складання схеми,

підключення вимірювальних приладів, установка режимів роботи

вимірювальних приладів, отримання режимів роботи в звичній для

нього формі. Таку можливість надає програма Proteus VSM [36, 40, 43,

69, 70].

На відміну від багатьох інших ця програма здатна моделювати

пристрої не тільки на дискретних компонентах, звичайних аналогових

і цифрових мікросхемах, але і на МК серії AVR, 8051, PIC12, PIC16,

PIC18, Z80, 68000. Програма містить велику кількість бібліотек

напівпровідникових пристроїв, пасивних компонентів, ламп,

індикаторів (світлодіоди, семисегментні, рідинно-кристаличні),

кнопок, клавіатур, динаміків, мікрофонів, джерел струму, напруги,

генератори спеціальних сигналів, серво та крокові двигуни.

Як відомо, налагодження МПС традиційними засобами, за

допомогою лише вольтметра і осцилографа, є складним. Порівняно

легко вдається лише встановити, що в програмі є помилка. Але

практично неможливо знайти серед множини однаково

правдоподібних пояснень "неадекватної" поведінки МК єдине

правильне. Тому налагодження ведуть, зазвичай, методом спроб і

помилок, вносячи до програми більш менш обґрунтовані зміни.

Емулятор дає можливість "зазирнути всередину" МК, зіставивши

форму і характер сигналів на його виводах з ходом виконання

програми і змінами стану внутрішніх регістрів. До цих регістрів

моделі (на відміну від реальної мікросхеми) завжди є доступ.

Можливість перевіряти роботу МК всіх популярних сімейств у

реальному масштабі часу і у взаємодії з моделями реальних джерел

сигналу і навантажень вигідно відрізняє Proteus VSM від простих

симуляторів, що є в системах розробки програм і часто дозволяють

лише стежити за ходом покрокового виконання програми.

Пакет Proteus складається з двох програм: ISIS – моделювання

електронних схем та ARES – програма створення друкованих плат. У

147

ISIS передбачена покрокове налагодження МПС, можливість анімації

елементів схем.

Розглянемо налагодження пристрою на МК AVR AT90S8515

та з інтерфейсом 1-Wire по якому підключаються DS1990, DS18S20

і інші 1-Wire прилади [6, 7, 9, 12]. Запускаємо PROTEUS і у меню File

Load Design... перейдемо на один рівень нагору - у папку де

встановлений PROTEUS і відкриваємо папку SAMPLES. У ній

знаходимо і відкриваємо файл проекту One-Wire NETWORK

1WIRE_NET.DSN. Розгорніть вікно PROTEUS на весь екран (рисунок

4.1).

Рисунок 4.1 – Вікно проекту 1WIRE_NET у середовищі Proteus

Інтерфейс PROTEUS не має смуг прокручування. Масштаб

зображення можна міняти за допомогою колеса на миші або за

148

допомогою інструментів «Лупа» та у верхній панелі

інструментів. Переміщати зображення можна вказівкою нового

центра зображення інструментом «Хрест» . Весь робочий аркуш

можна побачити натиснувши кнопку . Показати певну область

схеми можна виділивши її за допомогою інструмента виділення

області .

У лівій верхній області екрана відображається міні макет

сторінки й трохи нижче панель DEVICES (компоненти проекту)

(рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 – Панель DEVICES

У цьому вікні відображаються всі елементи, що

використовуються в схемі. Кнопка з буквою «Р» відкриває форму

пошуку компонента в бібліотеках PROTEUS для додавання в схему.

Кнопка з буквою «L» відкриває менеджер бібліотек – з його

допомогою можна підключати нові бібліотеки компонентів. На

рисунку 4.2 бачимо МК AVR AT90S8515, кілька компонентів

компанії DALLAS - MAXIM (вони підключені за схемою інтерфейсу

1-Wire). Внизу списку є компонент PULLUP – це резистор, що

підтягує напругу до + живлення МК і приладів DSXXXX (звичайно це

+5 В).

Натисніть кнопку з буквою «Р». Відкриється форма-меню

пошуку і вибору компонентів "Pick Devices" (рисунок 4.3). У полі –

«Keywords» (ключові слова) введіть DS2 і виберіть верхній з 4-х

знайдених компонентів – DS2405. У полі «Description» (опис)

спостерігаємо «адресовний перемикач» – тобто до цього приладу

можна звернутись за його адресою і «наказати» йому зробити на

виході PIO логічний «1» або «0» і можливо перевести вихід у високо

імпедансний Z-стан – вивід з дуже великим опором, що не впливає на

те, що до нього підключено. У правій частині форми можна побачити

назву моделі компоненту, його зображення на схемі, а нижче за нього

«FootPrint» – його корпус. Ще нижче назва корпусу компоненту –

149

TO92.

Інша частина 1-Wire приладів на схемі починається на DS1

(рисунок 4.4) – введіть ці символи у поле ключових слів. Тепер

знайдено 8 приладів. Причому вони розташовані в 2-х категоріях.

Вибираємо мишкою DS18S20 – в описі написано: «Високо точний 1-

Wire цифровий термометр". На схемному зображенні (рисунок 4.5)

цього компоненту видно деяке поле, що нагадує дисплей - так і є, у

ньому будуть виводиться дані в процесі симуляції.

Рисунок 4.3 – Форма-меню пошуку і вибору компонентів «Pick

Devices». Введений ключ пошуку DS2

Рисунок 4.4 – Форма-меню пошуку і вибору компонентів «Pick

Devices». Введений ключ пошуку DS1

150

Помістити компонент на схему можна натиснувши «ОК», потім

помістите покажчик миші у потрібне місце на листі схеми і натиснути

мишею. Компонент опиниться на схемі.

Рисунок 4.5 – Умовне позначення датчика DS18S20 у вікні

проекту 1WIRE_NET у середовищі Proteus

Компонент на схему можна додати і так – виділити,

скопіювати і вставити, тільки в цьому випадку доведеться уручну

надати йому порядковий номер замість знаку питання - ?. Виділити

компонент або будь-який елемент схеми можна натиснувши на ньому

правою кнопкою миші. При цьому він стане червоним і одночасно

будуть виділені всі провідники, що надходять до компоненту.

Відмінити виділення ВСІХ виділених компонентів можна натиснувши

правою кнопкою миші в порожньому місці схеми. Видалити

компонент або будь-який елемент з схеми можна двома натисками

правою кнопкою миші на ньому.

Таблиця 4.1 – Ліва панель інструментів - верхня частина

Умовне

позначення Назва Призначення

L1

відкрити панель DEVICES - компоненти проекту

і пошук нових

L2 поставити точку з'єднання провідників уручну

L3 дати назву дроту (дроти, що мають однакову

назву, електрично з’єднані)

L4 додати текст в довільне місце схеми

L5 прокласти шину

L6 створення підсхеми (блок містить в собі свою

схему і з'єднувачі)

L7 редагування властивостей компонента

Червоними стрілками у ході

симуляції можна міняти

температуру корпусу датчика -

натиснув по ним мишею.

VCC – + живлення датчика,

GND – «земля»,

DQ – лінія даних.

151

Таблиця 4.2 – Ліва панель інструментів – середня частина

Умовне

позначення Назва Призначення

L8 TERMINALS - живлення, земля, міжблочні

з'єднання, виводи.

L9 додати вивід до компоненту, що створюється

L10 графічне відображення, збереження і аналіз

результатів симуляції

L11 "магнітофон" для запису у файл і відтворення

даних.

L12 генератори будь-якої напруги, струмів та вивід їх

з файлів даних

L13 вказати точку вимірювання напруги на

провіднику

L14 вказати точку вимірювання струму на провіднику

L15 Virtual Instruments - вимірювальні прилади

L16 прокладка провідників на схемі

Таблиця 4.3 – Ліва панель інструментів – нижня частина

Умовне

позначення Призначення

обертання на 90 градусів виділеного компоненту на

схемі за годинниковою стрілкою

обертання на 90 градусів виділеного компоненту на

схемі проти годинникової стрілки

поле для вказівки довільного кута повороту

дзеркальний переворот компоненту по вертикалі

дзеркальний переворот компоненту по горизонталі

Рисунок 4.6 – Панель керування симуляцією

Панель керування симуляцією (рисунок 4.6) складається з 4

кнопок (зліва на право): «Пуск» – запуск симуляції або продовження

припиненої симуляції; «Крок» – виконати мінімальний крок за

програмою МК, звичайно це одна інструкція на асемблері (цією

152

кнопкою теж можна почати симуляцію); «Пауза» – пауза симуляції

(можна продовжити кнопками «Пуск» або «Крок»); «Стоп» – зупинка

симуляції.

Виділите МК (рисунок 4.1) натиснувши на ньому правою

кнопкою миші. МК і підключені до нього провідники стануть

червоними.

Відкрийте панель редагування властивостей компоненту (Edit

Component) натиснувши на виділеному МК лівою кнопкою миші.

Натисніть кнопцу "Hidden Pins" (приховані виводи) – відкриється

додаткове меню (рисунок 4.7) в якому показано як за замовчуванням

називаються вузли (провідники) схеми до яких підключені живлення

МК: VCC і GND. Зміна цих назв інколи необхідна при живленні МК

або інших компонентів різною напругою або від різних джерел.

Рисунок 4.7 – Панель редагування властивостей компоненту

Натисніть "ОК" щоб закрити панель прихованих виводів і

подивитеся уважно на вміст панелі редагування компоненту. Головне

для МК це програма за якою він працює, тому у полі «Program File»

потрібно вказати: .cof – файл, якщо ведеться налагодження програми

(початкова програма) на мові С; .hex – файл прошивки, якщо немає

ніякої початкової програми на С, ні на Асемблері. Якщо є початкова

програма на Асемблері .asm, то потрібно вказати назву .hex файлу і

153

через меню: Source Add/remove Source File... додати назву файлу

з текстом програми на асемблері і вибрати потрібний асемблер

(рисунок 4.8).

Рисунок 4.8 – Вікно Add/remove Source File

Щоб симулювати у Proteus роботу МК необхідно знайти його в

бібліотеках і помістити на схему, вказати яку програму він повинен

виконувати, вказати тактову частоту МК.

Що б побачити всі установки компоненту в панелі редагування

(рисунок 4.7) натисніть Edit All Prop. As Text (рисунок 4.9)

Рисунок 4.9 – Редагування властивостей МК у текстовому режимі

154

{CLOCK} – однозначно визначає тактову частоту МК при

симуляції. Кварц і конденсатори не потрібні для симуляції, їх

встановлюють на схему тільки для того, щоб врахувати при розводці

друкованої плати пристрою.

{Wdg_clock} – показує частоту роботи генератора сторожового

таймера. Хоча вона і позначена як 1MHz – сторожовий таймер не

включений, поки не додамо у властивості МК строчку: {Wdgon=1}

(для даного проекту не потрібно її включати).

{Program} – показує, що МК працюватиме за програмою

ds1990.cof (створив компілятор CVAVR).

Значення інших параметрів можна дізнатися в довідці по кнопці

– Help.

Керувати процесом симуляції програми на асемблері можна за

допомогою клавіш F10, F11, F12 і їх комбінацією з клавішами Alt і

Ctrl і через меню DEBUG (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 – Меню DEBUG

При виборі команди Execute for Specified Time виводиться поле

введення для вказівки скільки часу повинна відпрацювати схема (n –

нано секунди, u – мікро секунди, m – милі секунди, секунди можна не

позначати). Вказаний час буде використовуватись, якщо до його

закінчення в програмі МК не зустрінеться точка зупинки (BP –

Breakpoint) – симуляція зупиниться на ній.

Для меню DEBUG корисні такі команди:

155

F12 еквівалентна кнопці «Пуск» – запускає або продовжує

симуляцію до BP;

Alt+F12 запускає або продовжує симуляцію, що не зупиняється на

BP;

F10 – симулювати не використовуючи процедури на асемблері

або функцій на С (вони будуть виконані як 1 крок);

F11 – симулювати крок за програмою з входом у процедуру або

функцію;

Ctrl+F11 – закінчити процедуру або функцію в якій знаходимося;

Ctrl+F10 – симулювати до виділеною мишею рядку в програмі на

асемблері.

Допомога по симуляції МК знаходиться в розділі Proteus VSM

Help SOURCE LEVEL DEBUGGING WITHIN PROTEUS VSM

При симуляції пристрою на екрані спостерігаємо анімаційну

картинку. Режим анімації можна встановити через меню System Set

Annimation Options...(рисунок 4.11).

відображати напругу і струм на щупах

L13 і L14

підсвітити логічні рівні на виводах показати кольором напруги на

провідниках

показати стрілками напрям струму в

провідниках

Отримання довідки

Рисунок 4.11 – Установка опцій анімації

Запускаємо симуляцію проекту 1WIRE_NET.DSN кнопкою

«Пуск» (рисунок 4.6). Появиться вікно віртуального терміналу ПК

(рисунок 4.12) і приблизно за 1 секунду програма МК зробить все, що

від неї було потрібно. При анімації логічні рівні на виводах

указуються кольоровими квадратиками: червоний – логічний рівень

«1», синій – логічний рівень «0», сірий – Z стан.

У вікні віртуального термінала (рисунок 4.12) виводиться

інформація з UART МК на віртуальний COM порт ПК списку

розпізнаних пристроїв на шині 1-Wire і їх номери: серійний номер

DS1990, серійні номери приладів DSXXXX, що задаються на заводі і

не змінні (у Proteus ці номери задаються у вікні редагування

властивостей компоненту).

156

Рисунок 4.12 – Вікно симуляції проекту 1WIRE_NET.DSN.

Відкрито вікно Virtual Terminal

Термінал (Virtual Terminal) знаходиться під кнопкою L15

(таблиця 4.2). У Proteus можна не використовувати узгоджувач рівнів

RS232 з UART типу MAX232, а підключати термінал безпосередньо

до МК. Термінал підтримує службові символи ASCII - управління

виведенням тексту: CR (0DH), BS (0X08H) і BEL (0X07H). LF (0X0A)

і решта службових кодів не підтримуються. У режимі паузи симуляції

можна за натисненням правої кнопки миші на екрані терміналу

відкрити меню в якому можна скопіювати, вставити інформацію,

можна змінити формат виводу числа (символи або 16 річний код),

можна очистити екран даних, можна встановити режим луна

(прийняті на RXD терміналу символи будуть виводиться на його

ніжку TXD).

Виводи RTS і CTS можна не з’єднувати і не підключати взагалі

– хоча вони працюють як в справжньому COM-порту ПК. Термінал

може передавати щось тільки при рівні «0» на виводі CTS. Можна

використовувати декілька незалежних терміналів.

Якщо натиснути мишею у вікні терміналу, то він почне

157

передавати символи, що набирають на клавіатурі ПК, на ніжку TXD.

Можна вставити з буфера обміну інформацію яку термінал так само

виводитиме на ніжку TXD. Інформація, що передається не

відображається у вікні терміналу. Курсор залишається на місці. У

властивостях терміналу в полі додаткові властивості (Other Properties)

можна ввести текст який посилатиметься з терміналу при натисненні

кнопки «Пуск» із затримкою на час передачі одного символу.

Компонент COMPIM дозволяє віртуальному пристрою

підключиться до реального COM-порту ПК.

Натисніть «Стоп» потім «Старт» і ... «Пауза». На екрані

монітора будуть відображатись вікна з налагоджувальною

інформацією, перелік цих вікон задається у меню DEBUG (рисунок

4.13).

Рисунок 4.13 – Вибір коду програми та змінних у меню DEBUG

для відображення їх під час налагодження роботи програми

158

Інші елементи схеми, у яких є цифрові дані або пам'ять, мають

свої підменю з можливістю виведення інформаційних вікон.

Наприклад, цифровий термометр DS18S20 має Scratch RAM і

EEPROM. Якщо в схемі декілька МК, то для кожного буде своє

підменю.

Watch Window - вікно стеження (рисунок 4.14). Після

настройки воно не зникає з екрану при симуляції і знаходженні в

паузі. У цьому вікні можна розмістити регістри МК і не тільки

відстежувати їх вміст за ходом програми, але і задавати деякі умови і

дії, при досягненні яких, наприклад, зупинити симуляцію. При виборі

Add Items (By Address)… з'являється панель спостереження.

Натиснувши на ній правою кнопкою миші з’являється меню для

додавання регістрів, що будуть спостерігатись (за ім’ям або за їх

адресою). Подвійний натиск мишею на назві регістра – додає його у

вікно спостереження.

Рисунок 4.14 – Вікно Watch Window та його властивості

159

Якщо задамо умову у Watch Expression то, що робити

симулятору при його виникненні визначається у вікні (рисунок 4.15):

Рисунок 4.15 – Вікно, що задає як працює симулятор при

виникненні умов у Watch Expression

Подивитеся уважно і інші пункти меню DEBUG (рисунок 4.13).

Вікно з текстом програми – AVR Source Code - U9. На жаль при

симуляції МК AVR в Proteus – це вікно не пам'ятає яку програму

показувати якщо в ній немає активних BP. Тому потрібно вказати яку

програму використовувати (рисунок 4.16).

Рисунок 4.16 – Вибір тексту програми для режиму налагодження

При виборі файлу програми відкривається вікно з текстом

програми (рисунок 4.17). Зелені цифри – показують рядки програми

які можна виділити мишею і потім кнопкою F9 поставити BP (точку

зупинки) – червоний кружок. Програма дійшовши до цієї точки

зупиниться в режимі паузи – на екрані монітора з’являться вікна з

налагоджувальною інформацією. Якщо натиснути F9 ще раз, то BP

дезактивується – стане червоним колом і програма не зупиниться на

ній. Наступне натиснення кнопки F9 прибере BP з виділеного рядка.

Розставимо BP як на рисунку 4.17. Натискаємо кнопку "Стоп" і

160

потім "Пуск". Програма зупиниться на 1-ій точці BP і з’явиться вікно

з текстом програми на мові С (рисунок 4.18).

Рисунок 4.17 – Вікно з текстом програми

Рисунок 4.18 – Процес налагодження програми. Зупинка на

першій точці BP

161

Рядок на якому зупинилася програма підсвічується сірим

кольором і на неї указує червоний трикутник зліва від BP. Натисніть

«Старт» програма зупиниться на наступній точці BP – тобто на

наступному рядку програми. У вікні терміналу видно, що відбулося

виконання попереднього рядка програми.

Натиснувши правою кнопкою миші у вікні програми

відкривається меню в якому можна: побачити код на мові Assembler

безпосередньо в тексті програми на мові С (рисунок 4.19); включити

нумерацію рядків програми; включити або вимкнути усі BP; знайти

щось у програмі; перейти на потрібний рядок програми; змінити

шрифт у вікні.

Рисунок 4.19 – Відображення у вікні програми на мові С

еквівалентного коду програми на мові Assembler

Розставивши BP у потрібному місці програми можна покрокове

налагодження за кожним рядком програми кнопкою F12 або «Пуск».

Навіть при покроковому налагодженні всі віртуальні прилади

продовжують показувати вимірювані параметри і на віртуальному

осцилографі або логічному аналізаторі можна побачити після

виконання якої строчки коду відбулося яка зміна на ніжках МК або в

162

інших вузлах схеми. Детально про налагодження за початковим кодом

програми написано у розділі допомоги: «SOURCE LEVEL

DEBUGGING WITHIN PROTEUS VSM».

Дані симуляції можна зберегти у файл через меню Graph

Export Data. Отримаємо файл в стандартному форматі для

вимірювальних приладів – CSV (дані розділені комами). Цей файл

можна потім імпортувати до Excel або до Matlab. Графіки результатів

симуляції можна експортувати до графічних та CAD форматів через

меню File Export Graphics.

4.1 Моделювання мікроконтролерів MC68HC11

фірми Motorola

Все зростаюче застосування знаходять в промислових

контролерах мікропроцесори фірми Motorola. Це, перш за все, 8/16-

бітові моделі серії MC68HC05, MC68HC08, MC68HC11, MC68HC12,

MC68HC16. На сьогоднішній день компанією Motorola випущено

декілька мільярдів мікропроцесорів цієї серії, що знайшли і знаходять

до цього дня застосування практично у всіх сферах діяльності людини

від побутових приладів до складних мікропроцесорних систем.

У даний час багато фірм спеціалізуються на розробці систем

програмування, орієнтованих на створення програмного забезпечення

мікропроцесорів, що використовується при проектуванні

промислових мікроконтролерів. Серед них багато фірм орієнтуються

на рішення цієї задачі для 8/16-бітових мікропроцесорів фірми

Motorola. Одна з найбільш відомих фірма HiWare є лідером в області

графічних крос-засобів розробки, відлагодження і тестування

програмного забезпечення промислових мікроконтролерів [13].

Найцікавішою і кориснішою особливістю пакету Proteus VSM є

можливість симулювати роботу пристроїв введення/виведення

мікроконтролера. В основному симулятори емулюють роботу

регістрів мікропроцесора і виконання його команд. Використовуючи

пакет Proteus VSM, розробник промислового мікроконтролера може

емулювати роботу не лише мікропроцесора, але і пристроїв

введення/виведення, таких як регістрові пристрої, аналого-цифрові

перетворювачі, таймери, а також інші компоненти системи.

З використанням пакету Proteus VSM процес відлагодження

можна проводити так:

симуляція створеного коду на персональному комп'ютері в

середовищі Windows (із збереженням реального часу

виконання команд емульованої мікропроцесорної системи). У

163

цьому випадку відлагодження програмного забезпечення

мікроконтролера може бути проведена до створення

мікропроцесорної системи;

відлагодження створеного коду в середовищі мікроконтролера

(програмне забезпечення відлагоджується шляхом

завантаження виконуваної коди в його пам'ять). В цьому

випадку персональний комп'ютер використовується як

пристрій підготовки кодів програми, завантаження його в

пам'ять мікроконтролера, а також як пристрій управління

процесом відлагодження і тестування. Для цих цілей

використовується послідовний канал, що з’єднує

персональний комп'ютер і мікроконтролер. У середовищі

мікроконтролера процес завантаження і відлагодження

підтримує спеціальний монітор, що зберігається в його ПЗП.

На рисунку 4.20 зображений проект, що демонструє роботу

MC68HC11, який керується через послідовний порт RS232. Для цього

використовується програмне середовище BASIC11.

Рисунок 4.20 – Моделювання роботи мікроконтролера

MC68HC11 у середовищі Proteus

На екрані віртуального терміналу з’являється запрошення ввести

команду. Виведемо на індикаторі число 6811. Для цього введемо

команди: PortB=$68, PortC=$11 (рисунок 4.21).

На рисунку 4.22 показана моделювання роботи LCD індикатора

PG12864F, який программно керується мікроконтролером MC68HC11.

164

Рисунок 4.21 – Моделювання роботи мікроконтролера

MC68HC11 у середовищі Proteus (вивід числа 6811H)

Рисунок 4.22 – Моделювання роботи LCD індикатора PG12864F,

що керується мікроконтролером MC68HC11 у середовищі Proteus

165

4.2 Моделювання мікроконтролерів сімейства x51

Розробка систем керування й контролю з використанням

однокристальних мікроконтролерів у цей час переживає справжній

бум. Системи на базі мікроконтролерів використовуються практично

у всіх сферах життєдіяльності людини, і щодня з'являються всі нові й

нові області застосування цих пристроїв. Останнім часом у зв'язку з

бурхливим розвитком електроніки й схемотехніки розширилися

можливості й самі мікроконтролери, що дозволяють виконувати

багато завдань, раніше недоступні для реалізації, такі, наприклад, як

обробка аналогових сигналів. Одним з найбільш ранніх

мікроконтролерів, що з'явилися на ринку, є мікроконтролер 8051,

розроблений фірмою Intel більше двадцяти років тому. Незважаючи

на настільки пристойний вік, класичний 8051 в цей час залишаються

одними з найбільш популярних при розробці систем керування й

контролю. Добре продумана архітектура й інтуїтивно зрозуміла

система команд впливають на вибір багатьох розроблювачів апаратно-

програмних систем [65].

Для систем з мікроконтролерами 8051 розроблені потужні

інструментальні засоби, що дозволяють знизити до мінімуму час

розробки й налагодження програмного забезпечення. Лідируючі

позиції займають програмні засоби, розроблені фірмою Keil.

Інструментальні засоби цієї фірми включають цілий ряд потужних

додатків, таких як компілятор мови С для мікроконтролерів 8051 (Keil

С51), макроасемблер А51, сумісний з ASM-51, і зручна графічна

оболонка для розробки й налагодження програм Keil uVision [39].

Середовище розробки Keil дозволяє створювати складні проекти, що

складаються з різних модулів, написаних як на C, так і мовою

асемблера, підключати бібліотеки функцій. Крім того, це середовище

включає зручний відлагоджувач (симулятор), що дозволяє оцінити й

швидко перевірити працездатність програми.

Проведемо моделювання у середовищі Proteus роботи кабельного

тестера [15]. Спочатку у середовищі Keil ASM-51 була відлагоджена

програма Test.asm і отриманий файл Test.hex , а в пакеті Proteus 7

Professional (Isis 7 Professional) проводилась перевірка працездатності

схеми. Схема кабельного тестера наведена на рисунку 4.23. У

властивостях мікроконтролера AT89C2051 (рисунок 4.24)

підключаємо отриманий файл Test.hex. У початковий момент

світиться світло діод D1, який інформує, що схема готова до роботи.

При підключенні в режимі перевірки Pathcord світлодіоди по

черзі загораються («бігучий вогник»), це означає, що монтаж кабелю

виконаний вірно (рисунок 4.25). В процесі роботи можна перевірити

166

стан основних ресурсів мікроконтролера (рисунок 4.26). На рисунку

4.27 наведений фрагмент покрокового дослідження роботи схеми.

Рисунок 4.23 – Дослідження роботи мережного тестера в Proteus 7.6

Рисунок 4.24 – Підключення програмного забезпечення test.hex

Рисунок 4.25 – Роботи схеми в режимі перевірки Pathcord

167

Рисунок 4.26 –Режим покрового відлагодження програми в

режимі перевірки Pathcord

Рисунок 4.27 – Покроковий режим дослідження (продовження)

Виконаємо моделювання роботи електронного калькулятора, що

реалізований на мікроконтролері 80C51. Для того, щоб виконати дію

необхідно спочатку обнулити калькулятор, натисненням кнопки

ON/C. Для виконання дії ділення потрібно зробити такі дії: набрати

число – ділене, наприклад 456 (рисунок 4.28, а); натиснути кнопку

ділення; набрати дільник, нехай 3 (рисунок 4.28, б); натиснути

дорівнює і на екран виведеться відповідь (рисунок 4.28, в).

168

а) б) в)

Рисунок 4.28 – Моделювання роботи калькулятора: а) введення числа

456 (ділене), б) введення числа 3 (дільник), в) результат обчислення.

На рисунку 4.29 зображений процес моделювання 2-х канального

блоку живлення з цифровою індикацією на мікроконтролері 80C51.

Рисунок 4.29 – Моделювання роботи блоку живлення з цифровою

індикацією

4.3 Моделювання мікроконтролерів сімейства PIC

Мікроконтролери фірми Microchip – це одно з найбільш

популярних сімейств, що використовуються при вивченні

мікроконтролерів на самих різних етапах навчального процесу.

Освоєння мікроконтролерів цієї фірми, зокрема, полегшується

невеликим набором команд і відносно простою передовою

169

архітектурою. Крім використання в промисловості і освітньому

процесі, мікроконтролери сімейства РІС застосовуються в

більшості аматорських пристроїв, в чому можна переконатися,

відкривши будь-який журнал, присвячений радіоаматорству [30,

62].

Розробка електронної схеми на мікроконтролері включає

написання і відлагодження програми на асемблері або мовою

високого рівня. Для створення і відлагодження програм для

мікроконтролерів сімейства РІС використовується середовище

розробки MPLAB IDE. Воно об’єднує у собі редактор коду, мови

програмування mpasm та mpasm30, інтерфейс програмування

(PICkit, PICSTAR Plus, MPLAB ICD2, MPLAB PM3), інтерфейс

відлагодження програмного коду (програмна емуляція MPLAB

SIM, внутрішньо схемне відлагодження MPLAB REAL ICE,

MPLAB ICD2, PICkit2), підтримка мов програмування (MPLAB

C18, MPLAB C30, MPLAB C32), а також підтримку сторонніх

розробників (IAR, HI-Tech, CCS, RTOS, MATLAB, Proteus) [51].

Програма ISIS, складова частина Proteus, дозволяє перевірити

роботу не лише мікроконтролера, але всього пристрою. Наведемо

приклади моделювання електронних схем з використанням

мікроконтролерів сімейства PIC.

Рисунок 4.30 – Моделювання роботи блоку керування системи

опалення

На рисунку 4.30 наводиться моделювання роботи блоку

керування трьома тенами, що вбудовані в опалення на

170

мікроконтролері PICI6F876 [72]. При падінні температури на 2

градуси включається перший тен (світлодіод D1), ще падіння на 2

градуси включає другий тен (світлодіод D2) та якщо ще на два

градуси, то включається третій тен (світлодіод D3). Регулювання

ведеться відносно датчика на батареї. На індикаторі відображається

поточний час, температура у приміщенні та температура батареї,

режим роботи.

Рисунок 4.31 – Моделювання роботи блоку індикації напруги та

струму лабораторного блоку живлення

На рисунку 4.31 наводиться моделювання роботи блоку індикації

напруги та струму лабораторного блоку живлення [25], на

мікроконтролері PICI6F873, що містить 10 розрядний АЦП.

Результати вимірювань відображаються двома чотирьох розрядними

індикаторами.

На рисунку 4.32 наводиться моделювання «електронної книги»,

що реалізована на базі мікроконтролера PIC16F84, Multi Media Card

(MMC), LCD індикатора стільникового телефону Nokia7110 [23].

171

Рисунок 4.32 – Моделювання роботи E-Book

4.4 Моделювання мікроконтролерів сімейства AVR

На сьогодні широко поширені мікроконтроллери фірми Dallas

Semiconductor, Microchip або Hitachi. Широко розвинені лінії PIC-

контроллеров фірми Microchip і мікроконтроллерів H8/300 фірми

Hitachi забезпечують досить високу продуктивність при невеликому

енергоспоживанні. Ефективність роботи мікроконтроллерів Dallas

Semiconductor, що мають базову архітектуру MCS51, в середньому

перевищує стандартну в 2,5 - 3 рази. Нові процесорні платформи

MSP430 фірми Texas Instruments і XE8000 фірми Xemics, що з'явилися

останнім часом, також заслуговують на увагу, особливо якщо

основним критерієм є мінімальне енергоспоживання.

Мікроконтролери фірми Atmel є потужним інструментом для

створення сучасних високопродуктивних і економічних

багатоцільових контролерів. На сьогодні співвідношення "ціна -

продуктивність - енергоспоживання" для AVR є одним з кращих на

172

світовому ринку 8-розрядних мікроконтролерів.

Розглянемо моделювання мікропроцесорних пристроїв на

мікроконтролерах AVR.

1. Контролер сигналізації на мікроконтролері AT90S2313 [3].

Основні режими роботи контролера сигналізації на мікроконтролері

AT90S2313: режим очікування (контакти кнопки, встановленої на

дверях, замкнуті, контакти кодового пристрою розімкнені, сирена і

світлодіод вимкнені, струм через соленоїд замку протікати не

повинен); режим вторгнення (при зломі дверей контакти кнопки, що

встановлена на дверях, замкнуті. Якщо попереднього замикання

контактів кодового пристрою не було, це повинно викликати

включення сирени і світлодіода на видаленому пульті. Сирена

повинна працювати в режимі: тривалість звуку і тривалість пауз рівні

і складають 0,5. Виключення сирени і світлодіода повинне

здійснюватись усередині приміщення окремою кнопкою,

розташованою на платі контролера); режим штатного відмикання

дверей (після введення коду в правильній послідовності короткочасно

замикається пара контактів кодового пристрою, до соленоїда замку

повинно бути прикладена напруга 12 В протягом 2 с, замок

відімкнеться. Якщо двері після цього будуть відкриті, замикання

контактів кнопки, встановленої на дверях, не приведе до

спрацьовування сирени і світлодіода); режим відмикання дверей

зсередини (при замиканні контактів кнопки відмикання зсередини до

соленоїда замку повинно бути прикладена протягом 2с напруга 12В,

замок відімкнеться. Якщо двері після цього будуть відкриті,

замикання контактів кнопки, встановленої на дверях, не приведе до

спрацьовування сирени і світлодіода). Схема пристрою, опис роботи

охоронної сигналізації та програмне забезпечення наводяться у [3].

Моделювання роботи схеми, що приведено на рисунку 4.33,

проводиться у пакеті Proteus 7.6 Professional [69]. Схема, що

зображена на рисунку 4.33а, відповідає режиму очікування, коли

мікроконтролер здійснює циклічну перевірку стану ліній порту D.

Режим звичайного відкриття зображений на рисунку 4.33б. Коли

введений правильний код (SW2 замкнутий) на лінії РВ2 формується

рівень «1», який приводить до спрацьовування реле (світиться світло

діод D4). Рівень «1» утримується на виході РВ2 орієнтовно 2 секунди.

Після 5 секунд, коли електромагніт замка закритий, здійснюється

перевірка стану датчика DOOR (SW3). Якщо SW3 не замкнутий, то

це еквівалентно, що двері закриті й мікроконтролер переходить до

режиму охорони.

Режим відкриття дверей зсередини зображений на рисунку 4.34а.

Коли натиснута кнопка SW1 (OPEN) на лінії РВ2 формується рівень

173

«1», який приводить до спрацьовування реле (світиться світлодіод

D4). Рівень «1» утримується на виході РВ2 орієнтовно 2 секунди.

Після 5 секунд, як електромагніт замка закритий, здійснюється

перевірка стану датчика DOOR (SW3). Якщо SW3 не замкнутий, то

це еквівалентно, що двері закриті й мікроконтролер переходить до

режиму охорони. На рисунку 4.34б зображений режим вторгнення. З

появою низького рівня в колі DOOR (SW3) на лінії РВ0 утворюється

сигнал логічної «1», що приводить до світіння індикатора D3 та

утворюється імпульсна послідовність з частотою 1кГц на виводі РВ1,

яку при наявності гучномовця можна почути.

Рисунок 4.33 – Схема охоронної сигналізації (а) та режим звичайного

відкриття дверей (б)

а)

б)

174

а)

б)

Рисунок 4.34 - Охоронна сигналізація в режимі відкриття дверей

зсередини (а) та в режимі вторгнення (б)

2. Моделювання роботи охоронної сигналізації з інфрачервоним

бар’єром [46]. Схема моделювання у пакеті Proteus 7.02 Professional

175

приведена на рисунку 4.35. Під час моделювання замість

інфрачервоного світлодіоду BL07J46 та фотоприймача TSOP1736 з

бібліотеки програми вибрана оптопара. Перемичка

JP1(Бар’єр/відбиття) знаходиться в режимі – відбиття, перемичка JP2

(короткий/довгий звуковий сигнал) в режимі – довгий сигнал,

перемичка JP3 (довга/коротка пауза між імпульсами) в положенні –

коротка пауза.

Рисунок 4.35 – Схема охоронної сигналізації в програмі Proteus 7

Professional

На рисунку 4.36 зображений режим охорони. Імпульси

передаються та приймаються без помилок. Світлодіод D1 періодично

спалахує, що інформує про режим охорони. Світлодіод D2 погашений,

звуковий сигнал тривоги не утворюється.

На рисунку 4.37 наведений режим «Тривога». Світлодіод D1

світиться, що інформує про режим «Тривога», світлодіод D2

світиться, утворюється звуковий сигнал тривоги. При наявності

звукової картки в комп’ютері можливо почути звуковий сигнал, який

випромінює гучномовець схеми.

176

Рисунок 4.36 – Охорона сигналізація у режимі «Охорона»

Рисунок 4.37 – Моделювання режиму «Тривога»

3. Віртуальний стенд EV8031/AVR на мікроконтролері

AT90S8515 [71]. Віртуальний стенд, що зображений на рисунку 4.35 є

аналогом реального стенду EV8031/AVR, що розроблений фірмою

Open System [79]. Стенд забезпечує обмін інформацією між

177

мікроконтролером AT90S8515 та периферійними пристроями:

статична індикація, динамічна індикація, клавіатура, кнопки, лінійка

світлодіодів, цифроаналоговий перетворювач, світлодіодна матриця.

Рисунок 4.38 – Фрагмент віртуального стенду у середовищі Proteus VSM

Рисунок 4.39 – Демонстрація роботи статичної та динамічної

індикації на віртуальному стенді у середовищі Proteus VSM

178

У програмному середовищі Proteus VSM віртуальний стенд

реалізований у вигляді схеми, що складається з 5 аркушів. На першій

аркуш (рисунок 4.38) винесені: мікроконтролер, статичні та динамічні

індикатори, клавіатура, кнопки, 8 світлодіодів, світлодіодна матриця,

вихід ЦАП. Це дозволяє оперативно аналізувати роботу

мікропроцесорної системи та програмного забезпечення.

Особливості застосування віртуального стенду наводяться [71].

На рисунку 4.39 наводиться демонстрація роботи статичної та

динамічної індикації, а на рисунку 4.40 – робота з світлодіодною

матрицею.

Рисунок 4.40 – Демонстрація роботи з світлодіодною матрицею на

віртуальному стенді у середовищі Proteus VSM

4. Блок керування паяльною станцією [74]. Схема блоку

керування паяльної станції в програмі ISIS пакету Proteus VSM 7.6

приведена на рисунку 4.41. На схемі, що зображена на рисунку 4.41,

як нагрівач працює OV1, з виходу якого знімається напруга, що

відповідає напрузі з виходу термопари підсиленою каскадом на

AD8551. На рисунку 4.42 показано моделювання роботи блоку

керування паяльної станції у режимі Р1. Робоча температура жала

повинна бути 180 0С. Включений нагрівач, поточна температура жала

980С. Світлодіод D1показує, що блок керування працює на нагрівання.

На рисунку 4.43 показаний режим роботи паяльної станції, коли жало

нагріто до заданої температури. Світлодіод D1 горить зеленим

кольором. Це означає, що нагрівач виключений.

179

Рисунок 4.41 – Схема блоку керування паяльної станції в

програмі ISIS пакету Proteus VSM7.6

Рисунок 4.42 – Моделювання роботи паяльної станції (режим Р1)

180

Рисунок 4.43 – Моделювання роботи паяльної станції (режим

Р1. Жало паяльника нагріто до заданої температури)

5. Вимірювач ємності на мікроконтролері ATtiny2313 [73]. Схема

цифрового вимірювача ємності в програмі ISIS пакету Proteus VSM

7.6 наведена на рисунку 4.44. Після запуску моделювання на

індикаторах відображається паразитна ємність. Стан схеми показано

на рисунку 4.44.

D2

CLK3

STB1

OE15

Q04

Q15

Q26

Q37

Q414

Q513

Q612

Q711

QS9

QS10

U2

4094

Vcc

Q1

2N2905

R6

10k

R3

39k

R739k

R23k3

R13M3

Vcc

R4

10k

R5100

PB5/MOSI/DI/SDA/PCINT517

PB6/MISO/DO/PCINT618

PB7/USCK/SCL/PCINT719

PB4/OC1B/PCINT416

PB3/OC1A/PCINT315

PB2/OC0A/PCINT214

PB1/AIN1/PCINT113

PB0/AIN0/PCINT012

PA2/RESET1

PA1/XTAL24

PA0/XTAL15

PD0/RXD2

PD1/TXD3

PD4/T08

PD3/INT17

PD2/INT0/XCK/CKOUT6

PD5/T1/OC0B9

PD6/ICP11

U1

ATTINY2313

1 2

3 4

5 6

13 12

SB1

SA2

C12.2p

C2470p

C34.7n

C4470n

C520u

C6100u

SA1

1

2

3 4

5

6

Рисунок 4.44 – Моделювання роботи схеми вимірювача ємності у

програмі Proteus (початок роботи)

181

Після натиску кнопки SB1 вимірювач обнуляється та готовий до

роботи (рисунок 4.45).

Далі за допомогою тумблера SA1 до вимірювача підключається

блок конденсаторів С1 – С6 і перемикачем SA2 обирається

необхідний конденсатор із блоку. На рисунку 4.46 SA2 в положенні

«1» (С1=2,2 pF). На рисунку 4.47 стан схеми, що відповідає

положенню SA2 = «3» (С3=4,70 nF).

На рисунку 4.48 відображений стан схеми, що відповідає

положенню SA2 = «5» (С5=20 µF).

D2

CLK3

STB1

OE15

Q04

Q15

Q26

Q37

Q414

Q513

Q612

Q711

QS9

QS10

U2

4094

Vcc

Q1

2N2905

R6

10k

R3

39k

R739k

R23k3

R13M3

Vcc

R4

10k

R5100

PB5/MOSI/DI/SDA/PCINT517

PB6/MISO/DO/PCINT618

PB7/USCK/SCL/PCINT719

PB4/OC1B/PCINT416

PB3/OC1A/PCINT315

PB2/OC0A/PCINT214

PB1/AIN1/PCINT113

PB0/AIN0/PCINT012

PA2/RESET1

PA1/XTAL24

PA0/XTAL15

PD0/RXD2

PD1/TXD3

PD4/T08

PD3/INT17

PD2/INT0/XCK/CKOUT6

PD5/T1/OC0B9

PD6/ICP11

U1

ATTINY2313

1 2

3 4

5 6

13 12

SB1

SA2

C12.2p

C2470p

C34.7n

C4470n

C520u

C6100u

SA1

1

2

3 4

5

6

Рисунок 4.45 – Моделювання роботи схеми вимірювача ємності

у програмі Proteus (пристрій готовий до роботи)

D2

CLK3

STB1

OE15

Q04

Q15

Q26

Q37

Q414

Q513

Q612

Q711

QS9

QS10

U2

4094

Vcc

Q1

2N2905

R6

10k

R3

39k

R739k

R23k3

R13M3

Vcc

R4

10k

R5100

PB5/MOSI/DI/SDA/PCINT517

PB6/MISO/DO/PCINT618

PB7/USCK/SCL/PCINT719

PB4/OC1B/PCINT416

PB3/OC1A/PCINT315

PB2/OC0A/PCINT214

PB1/AIN1/PCINT113

PB0/AIN0/PCINT012

PA2/RESET1

PA1/XTAL24

PA0/XTAL15

PD0/RXD2

PD1/TXD3

PD4/T08

PD3/INT17

PD2/INT0/XCK/CKOUT6

PD5/T1/OC0B9

PD6/ICP11

U1

ATTINY2313

1 2

3 4

5 6

13 12

SB1

SA2

C12.2p

C2470p

C34.7n

C4470n

C520u

C6100u

SA1

1

2

3 4

5

6

Рисунок 4.46 – Моделювання роботи схеми вимірювача ємності у

програмі Proteus (вимірювання C1)

182

D2

CLK3

STB1

OE15

Q04

Q15

Q26

Q37

Q414

Q513

Q612

Q711

QS9

QS10

U2

4094

Vcc

Q1

2N2905

R6

10k

R3

39k

R739k

R23k3

R13M3

Vcc

R4

10k

R5100

PB5/MOSI/DI/SDA/PCINT517

PB6/MISO/DO/PCINT618

PB7/USCK/SCL/PCINT719

PB4/OC1B/PCINT416

PB3/OC1A/PCINT315

PB2/OC0A/PCINT214

PB1/AIN1/PCINT113

PB0/AIN0/PCINT012

PA2/RESET1

PA1/XTAL24

PA0/XTAL15

PD0/RXD2

PD1/TXD3

PD4/T08

PD3/INT17

PD2/INT0/XCK/CKOUT6

PD5/T1/OC0B9

PD6/ICP11

U1

ATTINY2313

1 2

3 4

5 6

13 12

SB1

SA2

C12.2p

C2470p

C34.7n

C4470n

C520u

C6100u

SA1

1

2

3 4

5

6

Рисунок 4.47 – Моделювання роботи схеми вимірювача ємності у

програмі Proteus (вимірювання C3)

D2

CLK3

STB1

OE15

Q04

Q15

Q26

Q37

Q414

Q513

Q612

Q711

QS9

QS10

U2

4094

Vcc

Q1

2N2905

R6

10k

R3

39k

R739k

R23k3

R13M3

Vcc

R4

10k

R5100

PB5/MOSI/DI/SDA/PCINT517

PB6/MISO/DO/PCINT618

PB7/USCK/SCL/PCINT719

PB4/OC1B/PCINT416

PB3/OC1A/PCINT315

PB2/OC0A/PCINT214

PB1/AIN1/PCINT113

PB0/AIN0/PCINT012

PA2/RESET1

PA1/XTAL24

PA0/XTAL15

PD0/RXD2

PD1/TXD3

PD4/T08

PD3/INT17

PD2/INT0/XCK/CKOUT6

PD5/T1/OC0B9

PD6/ICP11

U1

ATTINY2313

1 2

3 4

5 6

13 12

SB1

SA2

C12.2p

C2470p

C34.7n

C4470n

C520u

C6100u

SA1

1

2

3 4

5

6

Рисунок 4.48 – Моделювання роботи схеми вимірювача ємності у

програмі Proteus (вимірювання C5)

6. Моделювання роботи цифрового термометра/термостата на

мікроконтролері AT90S2313 [72]. Схема цифрового

термометра/термостата в програмі ISIS пакету Proteus VSM 7.6

наведена на рисунку 4.49.

183

Рисунок 4.49 – Схема цифрового термометра/термостата в

програмі ISIS пакету Proteus VSM7.6

На схемі, що зображена на рисунку 4.49, світлодіод D3 є імітатор

навантаження, що відображає момент, коли спрацювало реле.

На рисунку 4.50 наведена осцилограма обміну між

мікроконтролером та датчиком температури (передається виміряне

значення температури), що отримана у середовищі Proteus VSM7.6 під

час моделювання роботи схеми

Початковий скидПерший байт

(команда)Дані Очікування нового циклу

передачі

Рисунок 4.50 – Протокол обміну між мікроконтролером та

датчиком температури DS1820 по шині 1-WARE

Натиснувши кнопку SA2 можна продивитись температуру

терморегулятора. На дисплеї відображається значення температури

терморегулятора (рисунок 4.51) до тих пір поки утримується кнопка.

Після відпускання кнопки SA2 прилад повертається в режим

термометра.

184

Рисунок 4.51 – Перевірка значення температури терморегулятора,

що встановлено (натиснута кнопка SA2)

Для того, щоб встановити температуру терморегулятора

необхідно натиснути та утримувати кнопки SA1 та SA2 одночасно. На

індикаторі з’явиться значення температури терморегулятора, що

мигає, й прилад перейде у режим встановлення температури.

Кнопками SA1 (+) та SA2 (-) встановлюється необхідне значення

температури. Повторне одночасне натиснення SA1 та SA2 приведе до

запису температури терморегулятора до енергонезалежної пам’яті

мікроконтролера. На рисунку 4.52 показаний процес встановлення

температури терморегулятора 27 градусів. Для переведення приладу в

режим термостата необхідно натиснути кнопку SA1. У правому

розряді індикатора температури почне мигати десяткова точка, що

інформує про включення режиму терморегулятора. Для відключення

даного режиму потрібно ще раз натиснути на кнопку SA1. Коли

включений режим терморегулятора прилад на індикатор виводить

значення температури датчика, як і в режимі термометра. У

залежності від встановленого режиму «Нагрів»/ «Охолодження»

відбувається контроль температури й включається/виключається

навантаження. На рисунку 4.53 відображений режим, коли

температура, що вимірюється (26,8 С0) нижче запрограмованого

185

значення 27 С0. Мікроконтролер дає команду на включення нагрівача

(світиться D1, спрацьовує реле RL1 й його контакти замикаються, що

відображає світіння D3).

Рисунок 4.52 – Режим програмування терморегулятора.

Установка температури 27.0 градусів

Рисунок 4.53 – Робота термостата в режимі нагріву. Температура

середовища нижче запрограмованого значення.

186

На рисунку 4.54 відображений режим, коли температура, що

вимірюється (27,1 С0) вище запрограмованого значення 27 С

0.

Мікроконтролер відключає навантаження (D1та D3 не світяться).

Рисунок 4.54 – Робота термостата в режимі нагріву. Температура

середовища вище запрограмованого значення.

187

ІНДИВІДУАЛЬНІ ЗАВДАННЯ НА КУРСОВЕ

ПРОЕКТУВАННЯ

Основною задачею індивідуальних завдань є формування

практичних навичок розробки мікропроцесорної системи на базі

мікроконтролера ATtiny2313 (ATmega8).

За даними технічного завдання розробляється структурна,

функціональна та принципову схему пристрою, розробляється

алгоритм роботи мікропроцесорної системи та програмне

забезпечення (Assembler, С++, Basic, Pascal). За результатами

курсового проекту проводиться імітаційне моделювання роботи

мікропроцесорної системи у середовищі Proteus VSM.

Варіанти індивідуальних завдань:

1. Багатофункціональний генератор

Формує залежно від кнопки, що натиснута, 5 видів періодичних

сигналів: гармонійний, прямокутний, трикутний, пилкоподібний,

трапецеїдальний; для будь-якого сигналу можлива формування

декількох (не менше 5) значень періоду.

2. Статистична обробка сигналів

Пристрій реалізує накопичення вхідного сигналу з аналогового

входу АЦП, проводить обчислення і передає до персонального

комп’ютера інформацію про максимум, мінімум і середнє

арифметичне значення сигналу за час спостереження. Обчислена

інформація відображається на LCD індикаторі. Команда запуску

чергового виміру формується з клавіатури пристрою.

3. Калькулятор

Пристрій реалізовує арифметичне обчислення цифрової

інформації, що вводиться з клавіатури, вивід початкових даних і

результатів обчислень на LCD індикатор. Формат представлення

чисел –знаковий, з фіксованою точкою. Діапазон: – 32768…+32767.

Додаткові функції: збереження в пам'яті, округлення, логічні функції,

взаємне перетворення кодів в 2, 8, 10, 16 системи числення.

4. Частотомір

Пристрій вимірює частоту періодичного сигналу і відображає

його на LCD індикаторі. Передбачити можливість виміру високо-

частотного і низькочастотного сигналів найбільш точними методами.

188

5. Ігровий тренажер уваги

По екрану LCD індикатора зліва направо переміщаються

символи, відповідні певним клавішам. Завдання гравця – відреагувати

на черговий символ натисненням відповідної йому клавіші. Темп

появи символів періодично змінюється. Передбачити виведення

статистики і музичного оформлення тренажера.

6. Набір і відображення числа за допомогою однієї кнопки

Для введення числа використовується кнопка А. Число

набирається в десятковій системі числення (0 – 9). Кожен цифровий

розряд вводиться після відповідної кількості коротких натиснень.

Введення цифри починається з "0", після досягнення "9" – наступна

цифра "0". Поточна ведена цифра відображається в молодшому

розряді. Тайм-аут розпізнавання введення цифри – 1 с. При

наступному натисненні – цифра, що вводилась, зміщуються вліво і

починається набір наступної цифри. Натиснення кнопки

супроводжується короткочасним звуковим сигналом. Момент

закінчення введення цифри (таймаут) також супроводжується

короткочасним звуковим сигналом. Введені дані виводяться на

статичний або динамічний цифровий індикатор (4 розряди).

7. Набір і відображення тексту на матричному індикаторі

Користувач набирає рядок символів латинського алфавіту за

допомогою телефонної клавіатури (по аналогії з набором SMS на

мобільному телефоні). Кожній кнопці на клавіатурі може відповідати

до 3-х букв. Набрана буква залежить від кількості натиснень на

кнопку. При кожному натисненні на кнопку циклічно вибирається

наступна буква. Набрана буква відображається на матричному

індикаторі. Тайм-аут для введення символу 2 с. При натисненні будь-

якої іншої кнопки на клавіатурі – символ вважається введеним. Після

введення символу він безперервно відображається на індикаторі.

Введення рядка закінчується після натиснення кнопки # або після

введення 10 символів.

8. Гра "Змійка"

Пристрій відображає ефект "повзучої змійки" із швидкістю, що

змінюється, по контуру динамічного індикатора. Швидкість руху

змінюється дискретно, залежно від набраної на цифровій клавіатурі

цифри: від 1 до 9 сегментів/секунду. Момент введення швидкості

супроводжується короткочасним звуковим сигналом.

189

9. Датчик температури

Пристрій відображає покази цифрового датчика температури

DS1621 (інтерфейс I2С) або DS1820 (інтерфейс 1- Ware). Значення

температури відображаються на LED або LCD індикаторі (точність –

одиниці °С).

10. Синтезатор звуку

Користувач вводить за допомогою цифрової клавіатури частоту

від 100 до 3000 Гц. Значення відображаються на статичному

індикаторі. При введенні 5 і більше цифр здійснити зрушення

введеного значення ліворуч. При введенні значення частоти

використовується кнопка "*". Кнопка "#" дозволяє зафіксувати

значення частоти і генерувати звук із заданою частотою. Звук заданої

частоти формується до моменту завдання нового значення.

11. Генератор випадкових чисел

Після запуску на статичному індикаторі відображається

випадкове число. Діапазон чисел : 0 – 255 включно.

12. Тест реакції

Тест складається з 10 кроків. На початку кожного кроку на

матричному індикаторі засвічується N точок (від 1 до 9 включно),

розташування точок - випадкове. Користувач підраховує кількість N і

натискає відповідну кнопку (одноразове натиснення) на цифровій

клавіатурі. Номер кроку відображається на статичному індикаторі в

молодшому розряді. У старшому розряді відображається кількість

невірних відповідей користувача. На динамічному індикаторі

відображається час введення останньої відповіді. Вимір часу (від

початку тесту) відобразити в секундах з точністю до десятих. Після

отримання останнього, 10-ої відповіді, матричний індикатор гасне.

Користувач бачить сумарний час проходження тесту, кількість кроків

і кількість помилок. Після чого перезапуск програми тестування

здійснюється по натисненню будь-якої клавіші на цифровій

клавіатурі.

13. Тест швидкості передачі даних

Програма визначає швидкість передачі даних по послідовному

порту. Користувач з комп'ютера посилає на COM - порт пристрою

один з символів "1", "3", "5", "7" або "9" (ASCII коди 0x31, 0x33, 0x35,

0x37, 0x39). Програма визначає який з символів переданий і виводить

його на статичний індикатор. Швидкість передачі може бути одна з

ряду (бод) : 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 або 19200. Якщо символ

190

не розпізнаний або не є одним з дозволених, на статичний індикатор

виводяться прочерки.

14. Терморегулятор

Пристрій повинен забезпечувати управління швидкістю

обертання вентилятора залежно від температури. Установка частоти

обертання виконується за допомогою регулювання потужності, що

подається, через широтно - імпульсну модуляцію. Реальна частота

обертання контролюється датчиком обертання. Температура

вимірюється цифровим датчиком температури. Швидкість обертання

вентилятора довільна, але повинна змінюватися у бік збільшення при

наростанні температури і у бік зменшення при падінні температури.

Дисплей має два режими індикації : режим індикації температури в

градусах, режим індикації частоти обертання в оборотах в хвилину.

При натисненні на кнопку 1 режим індикації перемикається.

15. Блок керування технологічним процесом

Пристрій підраховує кількість перетинів деяким предметом

певної межі в одну та іншу сторони, запам’ятовує та відображає їх на

індикаторі. Передача поточної інформації на персональний

комп’ютер. Кнопкою «Пуск» починається робота пристрою. Вибір

режиму здійснюється кнопкою «Режим».

16. Автомобільний світлодинамічний пристрій

Пристрій призначений для дублювання сигналу лівого та правого

поворотів, дублювання габаритних вогнів, дублювання сигналу

«Стоп». Режим – динамічна індикація.

17. Бортовий комп’ютер автомобіля

Пристрій має такі функціональні можливості: індикація

поточного часу; індикація температури в чотирьох точках; звукова

сигналізація при підвищенні температури; індикація напруги в

бортовій мережі автомобіля; звукова сигналізація при напруги

бортової мережі нижче 10В.

18. Охоронна сигналізація

Після включення сигналізації відбувається затримка 15 секунд і

пристрій входить до режим охорони (миготіння світлодіоду). У

режимі охорони МК знаходиться в енергозберігаючому режимі. При

спрацьовуванні одного з чотирьох датчиків включається сирена,

включається світлова сигналізація. Через хвилину відключається

сирена, світлова індикація й перевіряється чи усунута причина

191

тривоги. Якщо так, то МК переходить у режим очікування, якщо ні, то

через 30 с включається сирена, світлова індикація. Цикли роботи

повторюються.

19. Кодовий замок

Код п’ятизначний й складається з цифр, що не повторяються.

Правильно набраний код супроводжується звуковим сигналом. При

неправильно набраній цифрі відбувається скид набраного коду. При

неправильному наборі п’ять раз спрацьовує звуковий сигнал

«тривоги» на протязі 5 хвилин. Контролер сприймає код через 10

хвилин. Користувач може встановлювати свій код (режим

програмування). Цифрова індикація режиму роботи та дзвінок.

20. Таймер

Режим роботи задається розкладом. Розклад попередньо

набирається в спеціальній програмі й відправляється в

мікроконтролер через послідовний порт персонального комп’ютера.

Кількість навантажень – 7, допустима потужність – 1кВт. Точність

завдання часу – 1секунда.

21. Тестер транзисторів

Пристрій автоматично виконує тестування біполярних

транзисторів та відображає провідність транзистора (n-p-n або p-n-n),

розташування колектора емітера, бази транзистора.

22. Тестер кабелів UTP

Пристрій тестує кабелі за стандартом 568В (комп’ютер–

концентратор), кабелі за стандартом 568А (комп’ютер–комп’ютер). На

LED або LCD індикаторі відображаються результати.

23. Цифровий тахометр

Пристрій вимірює частоту обертання вала двигуна і відображає

на LED або LCD індикаторі. Діапазон вимірювання – 100 до 7000

об/хв-1

.

24. Цифровий термостат

Термостат керує нагрівником і підтримує стале значення

температури в діапазоні +5 - +95 0С з точністю 1

0С. Значення

температури вводиться з клавіатури пристрою і відображається на

цифровому індикаторі.

192

25. Велокомп’ютер

Пристрій вимірює і відображає на індикаторі швидкість, шлях,

проміжний шлях. Діапазон вимірювання швидкості – 3...60 км/год. з

точністю 1км/год.; діапазон вимірювання відстані, км (з кроком 1км) –

250.

26. Електронний годинник

Функціональні можливості: годинник має 3 кнопки для

встановлення годин (1), хвилин (2), секунд (3); режим роботи

встановлюється при натисненні на відповідну кнопку.

27. Лічильник витрат стрічки магнітофону

Функціональні можливості блоку лічби: лічба відбувається в

прямому та зворотному напрямку, запис в EEPROM поточного числа,

лічба при повторній подачі живлення починається з останнього

значення, максимальне число – 9999, відображення поточних значень

на LED індикаторі.

28. Ігровий автомат

Алгоритм роботи пристрою такий: автомат знаходиться в режимі

очікування (на індикаторі відображається демонстраційний режим);

по натисненні кнопки «Start» розпочинається ігровий режим, при

опусканні монети на індикаторі відображається число, яке формує

генератор випадкових чисел. Автомат видає таку кількість монет,

якщо на індикаторі відображаються числа: 777–200 шт, 999 – 100 шт,

000 – 20 шт, 555 – 10 шт, 707 –7шт, 00Х –5шт, 077–3шт, 0ХХ–2шт,

77Х –1 шт; через 1 с після закінчення гри автомат переходить в режим

очікування. Блок керування ігровим автоматом відображає кількість

опущених монет та кількість виграних монет.

29. Автомат світлових ефектів

Режими роботи: рухомий вогонь, реверс рухомого вогню, рухома

тінь, реверс рухомої тіні, накопичування, реверс накопичування,

мерехтіння. Кількість каналів –8.

30. Система кодового доступу

Система використовує 9 ключів iButton, плюс один майстер-

ключ. Коди ключів заносяться до EEPROM під номерами 1 до 9; код

майстер-ключа занесений до EEPROM мікроконтролера не може бути

змінений; програмування нових ключів або стирання старих може

бути проведено тільки при наявності майстер-ключа; майстер-ключ

може використовуватись для відкриття замка.

193

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами: Пер. с англ./

П. Ан. – М.: ДМК Пресс, 2001. - 320 с: ил. – ISBN 5-94074-076-6.

2. Антипенский Р. В. Схемотехническое проектирование и

моделирование радиоэлектронных устройств/ Р. В. Антипенский,

А. Г. Фалин – М.: Техносфера, 2007. – 128с. – ISBN 978-5-94836-

130-7.

3. Баранов В. Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы,

алгоритмы, программы/ В. Н. Баранов. – М.: Издательский дом

«Додека -ХХІ», 2004. – 288 с. (серия «Мировая электроника»). –

ISBN 5-94120-075-7.

4. Барышев И. В. Прикладные вопросы цифровой обработки

информации. Часть 1. Применение микроконтроллеров в РТС

сбора, обработки и передачи информации/ И. В. Барышев,

А. В. Мазуренко, О. А. Горбуненко. – Харьков: ХАИ, 2006. –

112 с.

5. Баширов С. Р. Бытовая электроника. Занимательные устройства

своими руками /С. Р Баширов, А. С. Баширов. – М.: Эксмо, 2008.

– 176 с. – ISBN 978-5-699-23966-5.

6. Белов А. В. Конструирование устройств на микроконтроллерах/

А. В. Белов. – СПб.: «Наука и Техника», 2005. – 256 с. – ISBN 5-

94387-155-1.

7. Белов А. В. Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской

практике/ А. В. Белов. – СПб.: Наука и Техника, 2007. – 352 с. –

ISBN 978-5-94387-365-2.

8. Белов А. В. Самоучитель по микропроцессорной технике/

А. В. Белов. – СПб.: «Наука и Техника», 2003. – 224 с. – ISBN 5-

94387-084-9.

9. Белов А. В. Самоучитель разработчика устройств на

микроконтроллерах AVR/ А. В. Белов. – СПб.: Наука и Техника,

2008. – 544 с. –ISBN 978-5-94387-363-8.

10. Белов А. В. Создаем устройства на микроконтроллерах/

А. В. Белов. – СПб.: Наука и Техника, 2007. – 304 с. – ISBN 978-

5-94387-364-3.

11. Богатырев Е. А. Энциклопедия электронных компонентов.

Большие интегральные схемы / Е. А. Богатырев, В. Ю. Ларин,

194

А. Е. Лякин; под ред. А.Н. Еркина. – Т. 1. – М.: ООО «МАКРО

ТИМ», 2006. – 224 с.– ISBN 5-9900833-1-9 (978-5-9900833-1-8).

12. Болл С. Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров/

С. Р. Болл. – М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2007. – 360 с. –

ISBN 978-5-94120-142-6.

13. Буданов А. Н. Средства разработки и отладки программного

обеспечения промышленных контроллеров на базе 8/16-разрядных

микропроцессоров фирмы Motorola/ А. Н. Буданов // Мир

компьютерной автоматизации. [Електронний ресурс]. – Режим

доступу до журн.: http://www.mka.ru/, вільний. – Загл. з екрана. –

Мова рос.

14. Вальпа О. Д. Полезные схемы с применением микроконтроллеров

и ПЛИС/ О. Д. Вальпа – М: Издательский дом «Додэка-ХХI»,

2006. – 416 с. – (Серия «Программируемые системы»). – ISBN 5-

94120-129-Х.

15. Василенко В. Кабельный пробник со звуковой индикацией/

В. Василено. // Схемотехника. – 2006, №10. – С. 38-42.

16. Виноградов Ю. А. Радиолюбительские конструкции в системах

контроля и защиты/ Ю. А. Виноградов – М.: "Солон-Р", 2001. –

192 с. – ISBN 5-93455-070-5.

17. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых

электронных устройств/ Г. И. Волович. – М.: Издательский дом

«Додэка-ХХI», 2005. – 528 с. – ISBN 5-94120-074-9.

18. Гнатек Ю. Р. Справочник по цифроаналоговым и

аналогоцифровым преобразователям; пер. с англ./ Ю. Р. Гнатек;

под ред. Ю. А. Рюжина. – М.: Радно и связь, 1982. –552 с.

19. Голубцев М. С. Микроконтроллеры AVR: от простого к

сложному/ М. С. Голубцев. – М.: Солон-Пресс, 2003. – 288 с. –

ISBN 5-98003-034-4.

20. Гребнев В. В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel/

В. В. Гребнев. – М.: ИП Радиософт, 2002. – 176с. – ISBN 5-93037-

091-5.

21. Датчики: Справочник/ Под ред. З. Ю. Готра, О. И. Чайковского. –

Львов: Каменяр, 1995. – 312 с. – ISBN 5-7745-0233-3.

22. Джонсон Г. Конструирование высокоскоростных цифровых

устройств: начальный курс черной магии; пер. с англ./

Г. Джонсон, М. Грэхем. – М. : Издательский дом "Вильямс",

195

2006. – 624 с. – ISBN 5-8459-0807-8.

23. Дмитриев С. Сотовый телефон – «электронная книга»/

С. Дмитриев // Радио. –2005. – №11. – С.26-28.

24. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega

фирмы «ATMEL» /А. В. Евстифеев. – М.: Издательский дом

«Додэка-ХХI», 2004. –560 с.– ISBN 5-94120-081-1.

25. Заец Н. И. Радиолюбительские конструкции на РIС-

микрокомтроллерах. С алгоритмами работы программ и

подробными комментариями к исходным текстам. Книга 1/

Н. И. Заец . – М.: СОЛОН - Пресс, 2005. - 192с. – ISBN 5-98003-

238-Х.

26. Зубчук В. И. Справочное пособие по цифровой схемотехнике/

В. И. Зубчук, В. П. Сигорский, А. Н. Шкуро. – К.: Техника, 1990. –

448 с.– ISBN: 5-335-00584-Х.

27. Иванов В. И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы.

Справочник/ В. И. Иванов, А. И. Аксенов, A. M. Юшин. – М.:

Энергоатомиздат, 1984. – 311 с.

28. Иванов Ю. И. Микропроцессорные устройства систем

управления: Учебное пособие/ Ю. И. Иванов, В. Я. Югай. –

Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. – 133 с.– ISBN 5-8327-0206-9.

29. Кардашев Г.А. Цифровая электроника на персональном

компьютере Electronics Workbench и Micro-Cap/ Г. А. Кар-дашев.

– М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 311с. – ISBN 5-93517-140-6.

30. Катцен С. PIC-микроконтроллеры. Все, что вам необходимо знать/

С. Катцен; пер. с англ. Евстифеева А. В. – М.: Издательский дом

«Додэка-ХХI», 2008. – 656 с.: ил. (Серия «Программируемые

системы»). – ISBN 978-5-94120-134-1.

31. Кеоун, Д. (Кеоун, Дж.). OrCAD Pspice. Анализ электрических

цепей (+ DVD)/ Д. Кеоун. – СП.: Издательство «Питер», 2008. –

640с. – ISBN 978-5-388-00023-1.

32. Контроллеры для организации USB-связи// Рынок

Микроэлектроники [Електронний ресурс]. – Режим доступу до

журн.:http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Atmel/micros/usb/start.htm,

вільний. – Загл. з екрана. – Мова рос.

33. Корнеев В. В. Современные микропроцессоры / В. В. Корнеев,

А. В. Киселев. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 448 с. – ISBN 5-

94157-385-5.

196

34. Кравченко А. В. 10 практических устройств на AVR-

микроконтроллерах. Книга 1/ А. В. Кравченко. – М.:

Издательский дом "Додэка-ХХI, К.: "МК-Пресс", 2008. – 224с .–

ISBN 978-5-94120-205-8, ISBN 978-966-8806-41-4.

35. Кравченко А. В. 10 практических устройств на AVR-

микроконтроллерах. Книга 2/ А. В. Кравченко. – К.: «МК-Пресс»,

СПб.: «Корона-Век», 2009. – 320с .– ISBN 978-966-8806-58-2,

ISBN 978-5-7931-0532-3.

36. Краткий учебный курс PROTEUS [Електронний ресурс]/ Русское

руководство для начинающих. – Режим доступу:

http://proteus123.narod.ru, вільний. – Загл. з екрана. – Мова рос.

37. Лебедев М. Б. CodeVisionAVR: пособие для начинающих/

М. Б. Лебедев. – М.: Додэка-ХХ1, 2008. –592 с. – ISBN 978-5-

94120-192-1.

38. Левшина Т. С. Электрические измерения физических величин:

Измерительные преобразователи/ Т. С. Левшина, П. В. Новиц-кий.

– Л.: Энерго-атомиздат.,1983. – 320 с.

39. Магда Ю. С. Микроконтроллеры серии 8051: практический

подход. / Ю. С. Магда. – М.: ДМК Пресс. 2008. –228 с. – ISBN 5-

94074-394-3

40. Максимов А. Моделирование устройств на микроконтроллерах с

помощью программы ISIS из пакета PROTEUS VSM/

А. Максимов // Радио.–2005.–№ 4, 5, 6. – С. 30-33, 31-34, 30-32.

41. Микросхемы АЦП и ЦАП. Справочник . – М.: Издательский дом

«Додэка-ХХI», 2005. – 432 с. – ISBN: 5-94120-091-9.

42. Микросхемы и средства отладки USB// СМД Компонент

[Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.smd-

component.ru/catalog/16usb.htm, вільний. – Загл. з екрана. – Мова

рос.

43. Микушин А. В. Занимательно о микроконтроллерах/

А. В. Микушин. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 432 с. – ISBN 5-

94157-571-8.

44. Мікропроцесорна техніка: Підручник/ Ю. І. Якименко, Т. О. Те-

рещенко, Є. І. Сокол, В. Я. Жуйков, Ю. С. Петергеря. – К.: ІВЦ

“Видавництво «Політехніка»”; “Кондор”, 2004. – 440с. – ISBN

966-622-135-7.

45. Мортон Дж. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс/

197

Дж. Мортон; пер. с англ. – М.: Издательский дом «Додека -ХХІ»,

2006. – 272с. – ISBN 5-94120-096-Х.

46. Потапчук М. ИК-барьер на микроконтроллере/ М. Потапчук //

Радиомир. – 2005. – №6. – с. 11-13.

47. Программирование на языке С для AVR и РІС

микроконтроллеров./ Сост. Ю.А. Шпак. – К: "МК-Пресс", 2006. –

400 с.– ISBN 966-8806-16-6.

48. Проектирование встроенных систем на микроконтроллерах

STMIcroelectronlcs / [Бабешко Е. В., Желтухин А. В.,

Куланов В. А. и др.]; под ред. B. C. Харченко, А. А. Орехова. –

Харьков: Национальный аэрокосмический университет «ХАИ»,

2007. –197 с. – ISBN 978-966-2982-32-9.

49. Радиокот [Електронний ресурс] / Proteus - первое знакомство. –

Режим доступу: http://radiokot.ru/start/soft/proteus/01, вільний. –

Загл. з екрана. – Мова рос.

50. Разевиг В. Д. Схемотехническое моделирование с помощью

Micro-Cap 7/ В. Д. Разевиг. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. –

368 с. – ISBN 5-93517-127-9

51. Рахно Э. Микроконтроллеры Microchip – с чего начать?/

Э. Рахно//CHIP NEWS Украина. – 2008. – №8(78). – С. 20-21.

52. Ревич Ю. В. Практическое программирование микроконтроллеров

Atmel AVR на языке ассемблера/ Ю. В. Ре-вич. – СПб.: БХВ-

Петербург, 2008. – 384 с. (Аппаратные средства) .– ISBN 978-5-

9775-0277-1.

53. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera

MAX+plus II и QuartusII. Краткое описание и самоучитель/

[Комолов Д. А., Мяльк Р. А., ЗобенкоА. А., Филиппов А. С.]. – М.:

ИП РадиоСофт, 2002. –352 с. – ISBN 5-93037-098-2.

54. Схемотехніка електронних систем: У 3 кн. Кн.1. Аналогова

схемотехніка та імпульсні пристрої: Підручник / В. І. Бойко,

А. М. Гуржій, В. Я. Жуйков та інш. – К.: Вища шк., 2004. – 366 с. –

ISBN 966-642-192-5.

55. Схемотехніка електронних систем: У 3 кн. Кн.2. Цифрова

схемотехніка: Підручник / В. І. Бойко, А. М. Гуржій, В. Я. Жуй-

ков та інш. – К.: Вища шк., 2004. – 423 с. – ISBN 966-642-200-X.

56. Схемотехніка електронних систем: У 3 кн. Кн.3. Мікропроцесори

та мікроконтролери: Підручник/ В. І. Бойко, А. М. Гуржій,

198

В. Я. Жуйков та інш. – К.: Вища шк., 2004. – 399с. – ISBN 966-

642-193-3.

57. Точчи Р. Д. Цифровые системы. Теория и практика/ Р. Д. Точчи,

Н. С. Уидмер; пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс»,

2004. – 1024 с. – ISBN 5-8459-0586-9.

58. Трамперт В. AVR-RISC микроконтроллеры.: Пер. с нем./

В. Трамперт. – К.: «МК-Прес», 2006. – 464 с. – ISBN 966-8806-

07-7, 3-7723-5476-9.

59. Трамперт В. Измерение, управление и регулировка с помощью

AVR микроконтроллеров/ В. Трамперт; пер. с нем. – К.: «МК-

Пресс», 2006. – 208 с. – ISBN 966-8806-14-Х.

60. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника/ Е. П. Угрюмов. – СПб.:

БХВ-Петербург, 2001. – 528с. – ISBN 5-8206-0100-9.

61. Уилкинсон Б. Основы проектирования цифровых схем; пер. с

англ./ Б. Уилкинсон. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. –

320 с. – ISBN 5-8459-0685-7.

62. Уилмсхерст Т. Разработка встроенных систем с помощью

микроконтроллеров РІС. Принципы и практические примеры: Пер.

с англ./ Т. Уилмсхерст. – К.: "МК-Пресс", СПб:. "КОРОНА-ВЕК",

2008. – 544с. – ISBN 970-5-903383-61-0 (рус.), ISBN 978-966-8806-

46-9 (укр.).

63. Фрике К. Вводный курс цифровой электроники/ К. Фрике; пер. с

нем. – М.: «Техносфера», 2003. – 432 с. – ISBN 5-94836-015-6.

64. Фромберг Э. М. Конструкции на элементах цифровой техники/

Э. М. Фромберг. – М.: Горячая линия-Телеком, 2002. – 264 с.–

ISBN 5-93517-077-9.

65. Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т. 1/

А. В. Фрунзе. – М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2002. – 336 с. – ISBN 5-

94929-002-Х (T.1) .

66. Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т. 2/

А. В. Фрунзе. – М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2002. – 392 с. – ISBN 5-

94929-003-8 (T.2) .

67. Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т. 3/

А. В. Фрунзе. – М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2003. – 224 с. – ISBN 5-

94929-003-7 (T.3) .

68. Хартов В. Я. Микроконтроллеры AVR. Практикум для

начинающих/ В. Я. Хартов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана,

199

2007. – 240 с. – ISBN 978-5-7038-3051-2.

69. Цирульник С. М. Автоматизація проектування мікропроцесорних

систем контролю доступу та охорони/ С. М. Цирульник,

С. І. Перевозніков, В. С. Озеранський //Вісник Вінницького

політехнічного інституту. – 2009, №1.– С.10-15.

70. Цирульник С. М. Застосування програми ISIS пакету Proteus VSM

при вивченні курсу «Мікропроцесорна техніка»//

С. М. Цирульник, В. К. Задорожний// Матеріали ХІІІ міжнародної

конференції з автоматики управління (Автоматика 2006). –

Вінниця: Універсум-Вінниця. – 2007. – с. 526-530. – ISBN 978-966-

641-210-5.

71. Цирульник С.М., Роптанов В. І. Комп’ютеризований лабораторний

віртуальний стенд// Збірник тез доповідей IV МНТК «Сучасні

проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування

(СПРТП-2009)». Частина 1. – Вінниця, 2009. – с.103.

72. Электронный портал KAZUS.RU/ Проекты PROTEUS.

[Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://kazus.ru/forums/showthread.php?t=8259, вільний. – Загл. з

екрана. – Мова рос.

73. Электронный портал Радиодед/ Цифровой измеритель ѐмкости.

[Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://radioded.ru/content/view/77/49/, вільний. – Загл. з екрана. –

Мова рос.

74. Электронный портал Радиокот/ Цифровая паяльная станция

своими руками [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://radiokot.ru/lab/controller/10, вільний. – Загл. з екрана. – Мова

рос.

75. 2 AMPS Silicon bridge rectifiers. [Електронний ресурс]// Datasheet.

No. BRSB-200-1C- Diotec Electronics corp.–2 p. – Режим доступу:

http:/:www.diotec-usa.com, вільний. – Загл. з екрана. – Мова англ.

76. AVRCalc [Електронний ресурс]/ Calculator for the AVR

Microcontroller. – Режим доступу: http://clsql.med-

info.com, вільний. – Загл. з екрана. – Мова англ.

77. LM78XX/LM78XXA. 3-Terminal 1A Positive Voltage Regulator.

[Електронний ресурс]// Datasheet. Rev. 1.0.1; 6'06. – Fairchild

Semiconductor corp. – 28 p. – Режим доступу:

www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM7805.pdf, вільний. – Загл. з

200

екрана. – Мова англ.

78. MAX7219/MAX7221. Serially Interfaced, 8-Digit LED Display

Drivers [Електронний ресурс]// Datasheet. Rev. 4; 7/03. - Maxim

corp.- 16 p. – Режим доступу: http://datasheets.maxim-

ic.com/en/ds/MAX7219-MAX7221.pdf, вільний. – Загл. з екрана. –

Мова англ.

79. Open System [Електронний ресурс] / Учебно-отладочный стенд

EV8031/AVR – Режим доступу: http://opensys.com.ua, вільний. –

Загл. з екрана. – Мова рос.

80. Series PVT312. Microelectronic Power 1С. [Електронний ресурс]//

Datasheet. No. PD 10038D; 8/00. – International Rectifier. – 5 p. –

Режим доступу: http://www.irf.com/product-

info/datasheets/data/pvt312.pdf, вільний. – Загл. з екрана. – Мова

англ.

81. Three Digit LED Displays [Електронний ресурс]// Yellow Stone

corp.– Datasheet. – 1 p. – Режим доступу: http://www.ystone-led-

capacitor-manufacturer.com, вільний. – Загл. з екрана. – Мова англ.

201

Навчальне видання

Цирульник Сергій Михайлович

Лисенко Геннадій Леонідович

ПРОЕКТУВАННЯ МІКРОПРОЦЕСОРНИХ

СИСТЕМ

Навчальний посібник

Редактор Т. Старічек

Оригінал-макет підготовлено С. Цирульник

Підписано до друку 29.06.2010 р.

Формат 29,7х42 1/4. Папір офсетний.

Гарнітура Times New Roman.

Друк різографічний. Ум. друк. арк.

Наклад. 100 прим. Зам. №

Вінницький національний технічний університет,

навчально-методичний відділ ВНТУ.

21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95,

ВНТУ, ГНК, к.114.

Тел. (0432) 59-85-32

Свідоцтво суб’єкта видавничої справи

серія ДК № 3516 від 01.07.2009

Віддруковано у Вінницькому національному технічному унівеситеті

в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі.

Вінницького національного технічного університету

21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95,

ВНТУ, ГНК, к.114.

Тел. (0432) 59-85-32

Свідоцтво суб’єкта видавничої справи

серія ДК № 3516 від 01.07.2009